Femtosekund laser direkte skriving av Bloch-oscillasjoner i optiske floquet-gitter

28. april 2024 publiserte Prof. Shu Xuewens team ved Huazhong University of Science and Technology (HUST), i samarbeid med Prof. Sun Xiankais team ved det kinesiske universitetet i Hong Kong (CUHK), den siste forskningsfremgangen Visuell observasjon av fotonikk Floquet -Bloch oscillasjoner.
Bloch-oscillasjoner er et klassisk koherent kvantetransportfenomen manifestert som periodiske svingninger av kvantepartikler i et periodisk potensielt felt under påvirkning av en påført konstant kraft. Som en grunnleggende fysisk effekt har Bloch-svingninger blitt oppdaget og undersøkt i en rekke systemer, slik som halvledersupergitter, ultrakalde atomer, koblede bølgelederarrayer og syntetiske dimensjonale fotoniske gitter osv. De relaterte forskningsresultatene fremmer ikke bare utviklingen av fundamentale bølgeledere. fysikkforskning, men gir også nye ideer og metoder for fleksibel manipulering av utviklingen av bølgefunksjonen. Studiene av Bloch-oscillasjonsfenomenet har imidlertid hovedsakelig fokusert på statiske systemer, og Bloch-oscillasjonsfenomenet i periodisk drevne (Floquet) systemer må utforskes videre i dybden.

Fig. 1. (a) Skjematisk av femtosekund laser direkte-skrive bølgeleder array. (b) Fotografi av tverrsnittet av den eksperimentelt preparerte prøven. (c) Toppbilde av eksperimentelt forberedt prøve.
For å løse dette problemet undersøker denne studien Bloch-oscillasjonsfenomenet i Froché-systemet ved å bruke en endimensjonal bøyd bølgelederarray utarbeidet av femtosekund laser direkte skriving, foreslår en generell teori om Bloch-oscillasjonsfenomenet i det optiske Froché-gitteret, og eksperimentelt visualiserer og observerer det optiske Froché-Bloch oscillasjonsfenomenet. Som vist i fig. 1 er bøyningsbanen til bølgelederen i gruppen en sammensatt bane bestående av sirkulær bøyning overlagret periodisk bøyning. Under tilnærmingen til kveldsaksen er fluktuasjonsligningen som beskriver utviklingen av lystransport i denne bølgeledermatrisen matematisk ekvivalent med Schrödinger-ligningen som beskriver den tidsavhengige utviklingen av elektroner i et periodisk potensialfelt under påvirkning av et påført elektrisk felt, og retningen for lystransport i bølgeledermatrisen er ekvivalent med tidsleddet i Schrödinger-ligningen. Krumningen til bølgelederens bøyebane betraktes som den ekvivalente elektriske feltkraften som virker på den transmitterte lysbølgen, der den sirkulære bøyebanen genererer den ekvivalente konstante elektriske feltkraften som fører til Bloch-oscillasjoner, og den periodiske bøyebanen genererer det ekvivalente periodiske elektriske feltet kraft som introduserte Frohnke-modulasjonen. Dermed muliggjør bølgelederarrayen observasjon av Bloch-oscillasjonsfenomenet i et optisk Floquet-gitter.

Figur 2. (a)-(d) Eksperimentelle observasjoner ved eksitasjon av en enkelt bølgeleder. (e)-(h) Eksperimentelle observasjoner ved bredstråleeksitasjon.
I denne studien ble utviklingen av kontinuerlig overføring av lysbølger i bølgelederarrayer visualisert og observert ved bruk av bølgelederfluorescensmikroskopi. Fig. 2 viser puste- og oscillasjonsmodusene til Bloch-oscillasjonsfenomenet i det optiske Froquet-gitteret for henholdsvis enkeltbølgelederinnfall og bredstråleinsidens. Når Floquet-modulasjonsperioden er ulik et heltallsmultippel av Bloch-oscillasjonsperioden, er Floquet-spredningen konstant og lik null, og optiske Floquet-Bloch-oscillasjoner med en periode som er det minste felles multiplum av Floquet-modulasjonsperioden og Bloch oscillasjonsperiode oppstår. I resten av tilfellene er Floquet-dispersjonen ikke lenger lik 0, og overføringen av lys er vanligvis preget av diffus diffraksjon. I tillegg undersøkte forskerne teoretisk og eksperimentelt effekten av Flokay-modulasjonsparameterne på de optiske Flokay-Bloch-oscillasjonene, og avslørte fenomenets unike evolusjonære natur, inkludert de fraktale spektrale egenskapene assosiert med Flokay-modulasjonsperioden og Flokay-fraksjonsordenen. tunnelegenskaper assosiert med Flokay-modulasjonsamplituden.

Fig. 3. (a) Fraktale spektrale egenskaper til optiske Froquet-Bloch oscillasjoner. (b) Fraksjonsrekkefølge Floquet-Bloch-tunnelegenskaper for optiske Floquet-Bloch-oscillasjoner.
Den visuelle observasjonen av optiske Floquet-Bloch-oscillasjoner avslører en ny mekanisme for utvikling av bølgefunksjoner, som er av stor betydning både i grunnleggende forskning og praktiske anvendelser. Når det gjelder grunnleggende forskning, støtter den teoretiske modellen og den eksperimentelle plattformen videre utforskning av de nye fenomenene som oppstår fra samspillet mellom design og modulering av Frohike-Bloch-oscillasjoner med binære gitter, ikke-ermiske gitter og optiske ikke-lineariteter; og når det gjelder praktiske anvendelser, er de optiske Frohike-Bloch-svingningene i hovedsak et koherent transportfenomen, og kan derfor være. I praktiske anvendelser er optiske Floquet-Bloch-oscillasjoner i hovedsak et sammenhengende transportfenomen, og kan derfor utvides til en rekke forskning plattformer som syntetiske frekvensdomenegitter, kalde atomer, rom-tidskrystaller og kvantevandringer, og forventes å bli brukt til å realisere frekvenskonvertering, presisjonsmålinger og manipulering av en rekke bølgeoverføringer.