Elektroniska dynamiken omdefinierad genom Super-Bloch-oscillationer

Observationer av super-Bloch-oscillationer för optiska pulser i en tidsmässig gitter skapad via två kopplade fiberloopar, som uppvisar kollaps med försvinnande oscillationsamplitud under en specifik drivstyrka. Kredit: Xinyuan Hu (Huazhong University of Science and Technology)

Forskare uppnår framsteg inom periodiska oscillationer och transport för optiska pulser, med potential för nästa generations optisk kommunikation och signalbehandling.

Forskare har uppnått betydande framsteg inom vågfysik genom att utföra experiment om Super-Bloch-oscillationer (SBOs), vilka visar potentialen för att manipulera optiska pulser. Genom att använda både likström och nästan avstämd växelström applicerade de inte bara observerade SBO-kollaps för första gången utan förlängde också dessa oscillationer till godtyckliga vågdrivningssituationer, vilket banar väg för innovativa optiska kommunikationsteknologier.

Full koherent kontroll av vågtransport och lokaliserings är ett långt eftersträvat mål inom vågfysikforskning, vilket omfattar många olika områden från fast till materievågfysik och fotonik. En av de viktigaste och fascinerande koherenta transporteffekterna är Bloch-oscillation (BO), vilket hänvisar till den periodiska oscillerande rörelsen hos elektroner i fast ämne under en likström (DC)-drivande elektriskt fält. Super-Bloch-oscillationer (SBOs) är gigantiska oscillerande rörelser som uppnås genom att samtidigt tillämpa avstämda DC- och AC-drivande elektriska fält. Betraktade som förstärkta versioner av BO, får SBOs mindre uppmärksamhet än vanliga BOs främst eftersom deras experimentella observationer är mer utmanande och kräver en mycket längre partikelkoherenstid.

En unik egenskap hos SBOs är att det existerar en koherent oscillationsinhibering genom en AC-drivande renormaliseringseffekt, vilken manifesterar sig som lokalisering av ett oscillerande mönster med en försvinnande oscillationsamplitud. Kallad "kollaps" av SBO, detta intressanta fenomen inträffar vanligtvis i det kraftiga AC-drivande regimet som inte har uppnåtts i tidigare experiment av SBOs baserade på elektronik och andra system. Alla nuvarande teoretiska och experimentella studier om SBOs har varit begränsade till de enklaste sinusformade AC-drivande fallen, så SBO-kollaps under mer allmänna AC-drivande format och förmågan att använda SBOs för flexibel koherent vågmanipulering förblir också outforskade.

Simulerade och uppmätta resultat av SBOs i fotona temporala gitter. (a) SBO-oscillationamplituden ASBOs som en funktion av växelströmsamplituden Ew och den omvända frekvensavstämningen 1/d. (b) SBO-oscillationperioden MSBOs som en funktion av den omvända frekvensavstämningen 1/d. Inpassad figur visar MSBOs som en funktion av d. (c) Inledande oscillationsfas av SBOs jämfört med det inledande Bloch-momentumet k för Ew = 1,8, N = 1, j = π/2 och d = π/150. (d)-(g) Uppmätta pulsförlopp för Ew = 1,8, 3, 3,8 och 5,3 under d = π/150. (h) Experimentellt pulsförlopp för Ew = 5,3 och d = π/90. Kredit: Hu et al., doi 10.1117/1.AP.6.4.046001

I en nyligen publicerad studie tog forskare från Wuhan National Laboratory for Optoelectronics och School of Physics, Huazhong University of Science and Technology (HUST), och Polytechnic University of Milan itu med dessa problem. Som rapporterat i Advanced Photonics lyckades forskarna genom att kombinera både ett likströms- och ett nästan avstämt växelströmsdrivande elektriskt fält i det syntetiska temporala gitteret framgångsrikt uppnå SBOs upp till starkdrivningsregimen. För första gången observerade de SBO-kollapseeffekten och förlängde SBOs till godtyckliga vågdrivningssituationer.

Med flexibel styrbarhet från att anpassa det syntetiska likströms- och växelströmsfältet observerar forskarna funktionerna med försvinnande oscillationsamplitud och flip av initial oscillationsriktning vid specifika drivningsamplituder, vilket visar tydliga signaturer för SBO-kollapsen. För ett sinusformat AC-drivning visar de att när amplitud-till-frekvensförhållandet för AC-drivfältet tar roten av första ordningens Besselfunktion inträffar SBO-kollaps, vilket manifesterar sig som en fullständig hämning av oscillation med en försvinnande oscillationsamplitud samt flippen av den initiala oscillationsriktningen genom att korsa kollapspunkten.

De karaktäristiska snabba svängfunktionerna hos SBOs och kollapsen av SBOs har även analyserats från Fourierspektrum av oscillationsmönster. Genom att generalisera SBOs från sinusformat-drivning till ett godtyckligt-vågdrivande format observerade forskarna också de generaliserade SBOs med justerbara kollapsvillkor. Slutligen utnyttjar rapporten funktionen för oscillationsriktningens flip för att designa justerbara temporala strålrutare och splittare.

Enligt korresponderande författare Stefano Longhi, professor vid Polytechnic Institute of Milan, "Det här arbetet realiserar periodiska svängningar och transport för optiska pulser, vilket även kan hitta breda tillämpningar inom mångsidig temporär strålkontroll i ljusrouting, uppdelning och lokaliserings för optisk kommunikation och signalbehandling i nästa generation." Referens: “Observing the collapse of super-Bloch oscillations in strong-driving photonic temporal lattices” av Xinyuan Hu, Shulin Wang, Chengzhi Qin, Chenyu Liu, Lange Zhao, Yinglan Li, Han Ye, Weiwei Liu, Stefano Longhi, Peixiang Lu och Bing Wang, 2 juli 2024, Advanced Photonics. DOI: 10.1117/1.AP.6.4.046001