Фемтосекундно лазерно директно записване на блохови трептения в оптични решетки на Floquet

На 28 април 2024 г. екипът на проф. Shu Xuewen от Университета за наука и технологии Huazhong (HUST), в сътрудничество с екипа на проф. Sun Xiankai от Китайския университет в Хонг Конг (CUHK), публикува най-новия напредък в изследванията Визуално наблюдение на фотонни Трептения на Флоке-Блох.
Блоховите осцилации са класически кохерентен квантов транспортен феномен, проявяващ се като периодични трептения на квантови частици в периодично потенциално поле под действието на приложена постоянна сила. Като основен физически ефект, трептенията на Блох са открити и изследвани в различни системи, като полупроводникови свръхрешетки, ултрастудени атоми, свързани вълноводни решетки и синтетични дименсионни фотонни решетки и т.н. Свързаните резултати от изследвания не само насърчават развитието на фундаментални физични изследвания, но също така предоставят нови идеи и методи за гъвкаво манипулиране на еволюцията на вълновата функция. Проучванията върху феномена на трептене на Блок се фокусират главно върху статични системи и феноменът на трептене на Блок в системи с периодично задвижване (Floquet) трябва да бъде допълнително проучен в дълбочина.

Фигура 1. (а) Схема на фемтосекундния лазерен вълноводен масив с директно записване. (b) Снимка на напречното сечение на експериментално подготвената проба. ( c ) Снимка отгоре на експериментално подготвена проба.
За да се справи с този проблем, това изследване изследва феномена на трептенията на Блох в системата на Фроше, използвайки едномерна огъната вълноводна решетка, изготвена чрез фемтосекундно лазерно директно писане, предлага обща теория на феномена на трептене на Блох в оптичната решетка на Фроше и експериментално визуализира и наблюдава оптичния феномен на трептене на Фроше-Блох. Както е показано на фиг. 1, траекторията на огъване на вълновода в масива е съставна траектория, състояща се от кръгово огъване, насложено върху периодично огъване. При приближението на вечерната ос флуктуационното уравнение, описващо еволюцията на светлинния транспорт в тази вълноводна решетка, е математически еквивалентно на уравнението на Шрьодингер, описващо зависимата от времето еволюция на електрони в периодично потенциално поле под действието на приложено електрическо поле, и посоката на светлинния транспорт във вълноводната решетка е еквивалентна на времевия член в уравнението на Шрьодингер. Кривината на траекторията на огъване на вълновода се разглежда като еквивалентната сила на електрическото поле, действаща върху предаваната светлинна вълна, където кръговата траектория на огъване генерира еквивалентната постоянна сила на електрическото поле, водеща до трептения на Блок, а траекторията на периодичното огъване генерира еквивалентното периодично електрическо поле сила, въвеждаща модулацията на Frohnke. По този начин вълноводната решетка дава възможност за наблюдение на феномена на трептене на Блох в оптична решетка на Флоке.

Фигура 2. (a)-(d) Експериментални наблюдения при единично вълноводно възбуждане. (e)-(h) Експериментални наблюдения при възбуждане с широк лъч.
В това изследване еволюцията на непрекъснатото предаване на светлинни вълни във вълноводни масиви беше визуализирана и наблюдавана с помощта на вълноводна флуоресцентна микроскопия. Фигура 2 показва режимите на дишане и трептене на феномена на трептенията на Блох в оптичната решетка на Froquet за падане на единичен вълновод и съответно на широк лъч. Когато модулационният период на Floquet не е равен на което и да е цяло число, кратно на периода на осцилация на Bloch, дисперсията на Floquet е постоянна и равна на нула, а оптичните осцилации на Floquet-Bloch са с период, който е най-малкото общо кратно на периода на модулация на Floquet и Bloch възниква период на трептене. В останалите случаи дисперсията на Floquet вече не е равна на 0 и предаването на светлина обикновено се характеризира с дифузна дифракция. В допълнение, изследователите теоретично и експериментално изследваха ефекта на модулационните параметри на Flokay върху оптичните трептения на Flokay-Bloch, разкривайки уникалната еволюционна природа на феномена, включително фракталните спектрални свойства, свързани с периода на модулация на Flokay и Flokay от дробен ред свойства на тунелиране, свързани с модулационната амплитуда на Flokay.

Фиг. 3. (а) Фрактални спектрални свойства на оптични трептения на Froquet-Bloch. (b) Свойства на тунелиране на Floquet-Bloch от дробен ред на оптични трептения на Floquet-Bloch.
Визуалното наблюдение на оптичните трептения на Floquet-Bloch разкрива нов механизъм на еволюцията на вълновата функция, който е от голямо значение както за фундаменталните изследвания, така и за практическите приложения. По отношение на фундаменталните изследвания, теоретичният модел и експерименталната платформа подкрепят по-нататъшното изследване на новите явления, произтичащи от взаимодействието на дизайна и модулацията на трептенията на Frohike-Bloch с бинарни решетки, не-Ermian решетки и оптични нелинейности; и от гледна точка на практически приложения, оптичните трептения на Frohike-Bloch са по същество кохерентен транспортен феномен и по този начин могат да бъдат В практически приложения оптичните Floquet-Bloch осцилации са по същество кохерентен транспортен феномен и по този начин могат да бъдат разширени до различни изследвания платформи като синтетични решетки с честотен домейн, студени атоми, кристали пространство-време и квантови разходки и се очаква да бъдат използвани за реализиране на честотно преобразуване, прецизни измервания и манипулиране на различни предавания на вълни.