Penulisan Langsung Laser Femtosaat Ayunan Bloch dalam Kekisi Floquet Optik

Pada 28 April 2024, pasukan Prof. Shu Xuewen di Universiti Sains dan Teknologi Huazhong (HUST), dengan kerjasama pasukan Prof. Sun Xiankai di Universiti China Hong Kong (CUHK), menerbitkan kemajuan penyelidikan terkini Pemerhatian visual fotonik Floquet -Ayunan bloch.
Ayunan bloch ialah fenomena pengangkutan kuantum koheren klasik yang dimanifestasikan sebagai ayunan berkala zarah kuantum dalam medan potensi berkala di bawah tindakan daya malar yang dikenakan. Sebagai kesan fizikal asas, ayunan Bloch telah ditemui dan disiasat dalam pelbagai sistem, seperti kelat super semikonduktor, atom ultrasejuk, tatasusunan pandu gelombang berganding, dan kekisi fotonik dimensi sintetik, dsb. Hasil penyelidikan berkaitan bukan sahaja menggalakkan pembangunan asas penyelidikan fizik, tetapi juga menyediakan idea dan kaedah baharu untuk manipulasi fleksibel bagi evolusi fungsi gelombang. Walau bagaimanapun, kajian mengenai fenomena ayunan Bloch telah tertumpu terutamanya pada sistem statik, dan fenomena ayunan Bloch dalam sistem pacuan berkala (Floquet) perlu diterokai dengan lebih mendalam.

Rajah 1. (a) Skema tatasusunan pandu gelombang tulis langsung laser femtosaat. (b) Gambar keratan rentas sampel yang disediakan secara eksperimen. (c) Gambar paparan atas sampel yang disediakan secara eksperimen.
Untuk menangani masalah ini, kajian ini menyiasat fenomena ayunan Bloch dalam sistem Froché menggunakan tatasusunan pandu gelombang bengkok satu dimensi yang disediakan oleh penulisan langsung laser femtosecond, mencadangkan teori umum fenomena ayunan Bloch dalam kekisi Froché optikal, dan memvisualisasikan secara eksperimen dan memerhati fenomena ayunan Froché-Bloch optik. Seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 1, trajektori lentur pandu gelombang dalam tatasusunan ialah trajektori komposit yang terdiri daripada lenturan bulat yang ditindih pada lenturan berkala. Di bawah penghampiran paksi petang, persamaan turun naik yang menerangkan evolusi pengangkutan cahaya dalam tatasusunan pandu gelombang ini adalah setara secara matematik dengan persamaan Schrödinger yang menerangkan evolusi elektron yang bergantung kepada masa dalam medan potensi berkala di bawah tindakan medan elektrik yang digunakan, dan arah pengangkutan cahaya dalam tatasusunan pandu gelombang adalah bersamaan dengan jangka masa dalam persamaan Schrödinger. Kelengkungan trajektori lentur pandu gelombang dianggap sebagai daya medan elektrik setara yang bertindak ke atas gelombang cahaya yang dihantar, di mana trajektori lentur bulat menjana daya medan elektrik malar setara yang membawa kepada ayunan Bloch, dan trajektori lenturan berkala menjana medan elektrik berkala yang setara. daya yang memperkenalkan modulasi Frohnke. Oleh itu, tatasusunan pandu gelombang membolehkan pemerhatian fenomena ayunan Bloch dalam kekisi Floquet optik.

Rajah 2. (a)-(d) Pemerhatian eksperimen pada pengujaan pandu gelombang tunggal. (e)-(h) Pemerhatian eksperimen pada pengujaan pancaran luas.
Dalam kajian ini, evolusi penghantaran berterusan gelombang cahaya dalam tatasusunan pandu gelombang telah divisualisasikan dan diperhatikan menggunakan mikroskop pendarfluor pandu gelombang. Rajah 2 menunjukkan mod pernafasan dan ayunan bagi fenomena ayunan Bloch dalam kekisi Froquet optik untuk kejadian pandu gelombang tunggal dan kejadian rasuk lebar, masing-masing. Apabila tempoh modulasi Floquet tidak sama dengan mana-mana gandaan integer tempoh ayunan Bloch, serakan Floquet adalah malar dan sama dengan sifar, dan ayunan Floquet-Bloch optik dengan tempoh yang merupakan gandaan sepunya terkecil bagi tempoh modulasi Floquet dan Bloch tempoh ayunan berlaku. Dalam kes selebihnya, penyebaran Floquet tidak lagi sama dengan 0, dan penghantaran cahaya biasanya dicirikan oleh pembelauan resap. Di samping itu, penyelidik secara teori dan eksperimen menyiasat kesan parameter modulasi Flokay pada ayunan Flokay-Bloch optik, mendedahkan sifat evolusi unik fenomena tersebut, termasuk sifat spektrum fraktal yang dikaitkan dengan tempoh modulasi Flokay dan Flokay tertib pecahan. sifat terowong yang dikaitkan dengan amplitud modulasi Flokay.

Rajah 3. (a) Sifat spektrum fraktal bagi ayunan Froquet-Bloch optik. (b) Tertib pecahan sifat terowong Floquet-Bloch bagi ayunan Floquet-Bloch optik.
Pemerhatian visual ayunan Floquet-Bloch optik mendedahkan mekanisme baru evolusi fungsi gelombang, yang sangat penting dalam kedua-dua penyelidikan asas dan aplikasi praktikal. Dari segi penyelidikan asas, model teori dan platform eksperimen menyokong penerokaan selanjutnya tentang fenomena novel yang timbul daripada interaksi reka bentuk dan modulasi ayunan Frohike-Bloch dengan kekisi binari, kekisi bukan Ermian, dan ketaklinear optik; dan dari segi aplikasi praktikal, ayunan Frohike-Bloch optik pada asasnya adalah fenomena pengangkutan yang koheren, dan dengan itu boleh Dalam aplikasi praktikal, ayunan Floquet-Bloch optik pada dasarnya adalah fenomena pengangkutan yang koheren, dan dengan itu boleh diperluaskan kepada pelbagai penyelidikan platform seperti kekisi domain frekuensi sintetik, atom sejuk, hablur ruang-masa, dan berjalan kuantum, dan dijangka akan digunakan untuk merealisasikan penukaran frekuensi, pengukuran ketepatan, dan manipulasi pelbagai penghantaran gelombang.