De grundläggande kvantiteterna för ljus (foton) och ljud (fonon) är bosoniska partiklar som i stort sett följer liknande regler och i allmänhet är mycket bra analoger till varandra. Fysiker har utforskat denna analogi i de senaste experimentella undersökningarna av en fononlaser för att ge insikter i en lång debatterad fråga om hur en laser-eller mer specifikt, dess linjebredd - påverkas när den används vid en exceptionell punkt (EP). Exceptionella punkter är singulariteter i energifunktionerna i ett fysiskt system där två ljuslägen sammanfaller (kombineras till ett läge) för att producera ovanliga effekter. Tills nyligen, begreppet existerade huvudsakligen endast i teorin, men fick förnyad uppmärksamhet med experimentella demonstrationer i optiska system som lasrar och fotoniska strukturer. De experimentella studierna involverade system med paritetstidssymmetri för balanserad vinst och förlust av material, för att säkerställa robust ljusintensitet, immun mot backspridning. Medan stängda och förlustfria fysiska system beskrivs av hermitiska operatörer inom kvantfysik, system med öppna gränser som uppvisar exceptionella punkter (EP) är icke-hermitiska.

Experimentella studier av EP rör mestadels sådana symmetriska paritetstidssystem som smart utnyttjar samspelet mellan vinst och förlust för att möjliggöra helt nya och oväntade funktioner. I ett sådant begreppssprång, ovanliga optiska effekter som produceras i dessa system gjorde mediet osynligt i en riktning, ett steg mot nästa generations optiska material med unika egenskaper som inte ses med naturmaterial. Sådana koncept har initierat intensiva forskningsinsatser för att utforska icke-hermitiska system både experimentellt och teoretiskt.

Innan den första lasern demonstrerades experimentellt, Schawlow och Townes beräknade den grundläggande kvantgränsen för dess linjebredd; EP -skivor är historiskt förknippade med extrem breddning av laserlinjebredden - bortom den grundläggande Schawlow -Townes -gränsen. Även om teoretiska modeller har gett ett ramverk för att beräkna laserlinjebredden, de lyckas inte lösa problemet direkt vid EP. Experimentellt, det är inte enkelt att styra en laser direkt till en EP, eftersom fotoniska lasermoder blir instabila nära en EP, orsakar kaotisk lasning som felaktigt kan uppfattas som en extremt bred laserlinje.

Vad som verkligen händer med linjebredden när en laser fungerar på en EP i praktiken har därför varit oklart fram till nu. Att förstå mekanismerna som är ansvariga för bredden på linjebredden kommer att möjliggöra laserresurser med nya funktioner som vi inte hade tillgång till tidigare. Zhang et al., ge en elegant ny strategi för att ta itu med detta problem som publicerat i Nature Photonics , genom att arbeta med en fononlaser snarare än dess optiska (fotoniska) motsvarighet, att observera dess funktion på en exceptionell punkt.

I studien, fononlasrar producerar koherenta ljudoscillationer (mekaniska vibrationer) inducerade av optisk pumpning, ett koncept som tidigare utvecklats av Grudinin, Vahala och medarbetare, med egenskaper som är typiska för fotonlasrar. I föreliggande experiment, forskarna använde ett liknande optomekaniskt system med två kopplade mikroresonatorer av kiseldioxid-viskande galleri-läge (grönt och blått). Det sammansatta fononlasersystemet styrdes mot eller bort från dess EP för att observera beteendet för fonellasning nära en EP.

För att se bredden på linjebredden, fysikerna upphetsade optiskt det mekaniska läget för den experimentella enheten med ljus från en avstämbar laser kopplad till en enda mikroresonator (grön) med hjälp av en avsmalnande fiber. Sedan, att styra systemet mot eller bort från dess EP, de introducerade ytterligare förlust för den andra mikroresonatorn (blå) med hjälp av en krombelagd kiseldioxid nanofiber spets.

Samspelet mellan vinst och förlust utnyttjades på detta sätt för att ställa in en fononlaser till en EP. Fononlasning tolkas som en parametrisk trevågsprocess där två vågor är optiska och den tredje vågen är akustisk eller mekanisk. Zhang et al. gav direkt experimentella bevis för att visa fullständig överlappning av optiska supermoder vid EP, och att EP-förbättrat optiskt brus kan överföras direkt till mekaniskt brus, vilket leder till att den observerade linjebredden breddas i fononlasrar.

De praktiska fördelarna är lätta att förstå:Ljudvågor sprider sig med en hastighet som är ungefär fem storleksordningar mindre än ljusets hastighet, och ljudets våglängd är alltså motsvarande kortare än ljuset med samma frekvens. Denna funktion kan möjliggöra mycket exakt, icke -destruktiva mätningar och avbildning, samt uppnå en hög koncentration av energi med fokuserade ljudvågor. Det nuvarande arbetet öppnar nya perspektiv för förhållandet mellan buller och icke-hermitisk fysik, med potentiella applikationer inom relaterade områden, såsom signalbehandlingsteknik. Systemet kan användas som en on-chip fononisk enhet analog med fullt integrerade fotoniska enheter för informationsbehandling. Mer intressant, den studerade plattformen kan bredda insikter i icke-hermitisk fysik genom att möjliggöra upptäckt och kontroll av EP:er i system på två eller flera nivåer.

© 2018 Phys.org