Bezpośredni zapis oscylacji Blocha w optycznych siatkach floquet za pomocą lasera femtosekundowego

28 kwietnia 2024 r. zespół prof. Shu Xuewena z Uniwersytetu Nauki i Technologii Huazhong (HUST) we współpracy z zespołem prof. Sun Xiankai z Chińskiego Uniwersytetu w Hongkongu (CUHK) opublikował najnowsze postępy badawcze Wizualna obserwacja fotoniki Oscylacje Floqueta-Blocha.
Oscylacje Blocha są klasycznym zjawiskiem spójnego transportu kwantowego, objawiającym się okresowymi oscylacjami cząstek kwantowych w okresowym polu potencjału pod działaniem przyłożonej stałej siły. Jako podstawowy efekt fizyczny, oscylacje Blocha zostały odkryte i zbadane w różnych układach, takich jak supersieci półprzewodnikowe, ultrazimne atomy, sprzężone układy falowodów i syntetyczne wymiarowe sieci fotoniczne itp. Powiązane wyniki badań nie tylko promują rozwój podstawowych zjawisk fizycznych badań fizycznych, ale także dostarczają nowych pomysłów i metod elastycznego manipulowania ewolucją funkcji falowej. Jednakże badania nad zjawiskiem oscylacji Blocha skupiały się głównie na układach statycznych, a zjawisko oscylacji Blocha w układach z napędem okresowym (Floquet) wymaga dalszych dogłębnych badań.

Ryc. 1. (a) Schemat układu falowodów lasera femtosekundowego z bezpośrednim zapisem. (b) Zdjęcie przekroju próbki przygotowanej eksperymentalnie. (c) Zdjęcie próbki przygotowanej eksperymentalnie z góry.
Aby rozwiązać ten problem, w niniejszym badaniu zbadano zjawisko oscylacji Blocha w układzie Frochégo przy użyciu jednowymiarowego układu wygiętych falowodów przygotowanego za pomocą bezpośredniego zapisu lasera femtosekundowego, zaproponowano ogólną teorię zjawiska oscylacji Blocha w optycznej sieci Frochégo oraz eksperymentalnie wizualizowano i obserwuje optyczne zjawisko oscylacji Froché-Blocha. Jak pokazano na rys. 1, trajektoria zginania falowodu w układzie jest trajektorią złożoną składającą się z zginania kołowego nałożonego na zginanie okresowe. W przybliżeniu osi wieczornej równanie fluktuacji opisujące ewolucję transportu światła w tym układzie falowodów jest matematycznie równoważne równaniu Schrödingera opisującemu zależną od czasu ewolucję elektronów w okresowym polu potencjału pod działaniem przyłożonego pola elektrycznego, oraz kierunek transportu światła w układzie falowodowym jest równoważny członowi czasowemu w równaniu Schrödingera. Za krzywiznę trajektorii zginania falowodu uważa się równoważną siłę pola elektrycznego działającą na przepuszczaną falę świetlną, przy czym kołowa trajektoria zginania generuje równoważną stałą siłę pola elektrycznego prowadzącą do oscylacji Blocha, a okresowa trajektoria zginania generuje równoważne okresowe pole elektryczne wymusić wprowadzenie modulacji Frohnkego. Zatem układ falowodów umożliwia obserwację zjawiska oscylacji Blocha w optycznej sieci Floqueta.

Rysunek 2. (a)-(d) Obserwacje eksperymentalne przy wzbudzeniu pojedynczym falowodem. (e)-(h) Obserwacje eksperymentalne przy wzbudzeniu szeroką wiązką.
W tym badaniu ewolucję ciągłej transmisji fal świetlnych w układach falowodów zwizualizowano i obserwowano za pomocą mikroskopii fluorescencyjnej falowodu. Ryc. 2 przedstawia tryby oddychania i oscylacji zjawiska oscylacji Blocha w optycznej sieci Froqueta, odpowiednio dla padania pojedynczego falowodu i padania szerokiej wiązki. Gdy okres modulacji Floqueta jest nierówny dowolnej całkowitej wielokrotności okresu oscylacji Blocha, dyspersja Floqueta jest stała i równa zero, a optyczne oscylacje Floqueta-Blocha o okresie będącym najmniejszą wspólną wielokrotnością okresu modulacji Floqueta i Blocha występuje okres oscylacji. W pozostałych przypadkach dyspersja Floqueta nie jest już równa 0, a przepuszczalność światła charakteryzuje się zwykle dyfrakcją rozproszoną. Ponadto badacze teoretycznie i eksperymentalnie zbadali wpływ parametrów modulacji Flokay'a na optyczne oscylacje Flokay'a-Blocha, ujawniając wyjątkową ewolucyjną naturę zjawiska, w tym fraktalne właściwości widmowe związane z okresem modulacji Flokay'a i ułamkowym rzędu Flokay'a. właściwości tunelowe związane z amplitudą modulacji Flokay'a.

Rys. 3. (a) Fraktalne właściwości widmowe optycznych oscylacji Froqueta-Blocha. (b) Własności tunelowe Floqueta-Blocha rzędu ułamkowego w optycznych oscylacjach Floqueta-Blocha.
Wizualna obserwacja optycznych oscylacji Floqueta-Blocha ujawnia nowatorski mechanizm ewolucji funkcji falowej, który ma ogromne znaczenie zarówno w badaniach podstawowych, jak i zastosowaniach praktycznych. Jeśli chodzi o badania podstawowe, model teoretyczny i platforma eksperymentalna wspierają dalsze badanie nowych zjawisk wynikających z wzajemnego oddziaływania projektowania i modulacji oscylacji Frohike-Blocha z kratami podwójnymi, sieciami nieermiańskimi i nieliniowościami optycznymi; a pod względem zastosowań praktycznych optyczne oscylacje Frohike-Blocha są zasadniczo spójnym zjawiskiem transportu, a zatem mogą być. W zastosowaniach praktycznych optyczne oscylacje Floqueta-Blocha są zasadniczo spójnym zjawiskiem transportu, a zatem można je rozszerzyć na różnorodne badania platformy, takie jak syntetyczne sieci w dziedzinie częstotliwości, zimne atomy, kryształy czasoprzestrzenne i spacery kwantowe, i oczekuje się, że będą wykorzystywane do realizacji konwersji częstotliwości, precyzyjnych pomiarów i manipulacji różnorodnymi transmisjami fal.