Naturliga och konstgjorda fysiska strukturer tappar alla energi, och forskare arbetar hårt för att eliminera den förlusten eller kompensera för den. Optiska och fotoniska enheter tappar energi genom ljusspridning, strålning eller materialabsorption. I vissa situationer, dock, avsiktligt men noggrant att designa förlust i öppna optiska enheter och system kan leda till okonventionella fysiska fenomen som inspirerar till nya metoder för optisk styrning och teknik.

Lan Yang, Edwin H. &Florence G. Skinner professor i el- och systemteknik vid McKelvey School of Engineering vid Washington University i St. Louis, och ett team som inkluderar A.Douglas Stone, Carl A. Morse professor i tillämpad fysik och fysik vid Yale University, och hans laboratorium avslöjade nya metoder för att manipulera ljusabsorption i optiska resonatorer med olika typer av optiska förluster. De uppnådde en degeneration av två sammanhängande perfekta absorberande lägen, vilket leder till okonventionellt breddat absorptionsspektrum och förmågan att växla mellan svag och stark absorption över ett brett frekvensband. Verket publicerades 9 september, 2021, i Vetenskap .

Yangs team använder en experimentell plattform som kallas whispering gallery mode (WGM) mikroresonatorer, uppkallad efter det berömda viskande galleriet i Londons St. Paul's Cathedral, där en person på ena sidan av galleriet kan höra viskningen från en annan person i galleriets motsatta ände. Den optiska WGM -enheten fungerar på samma sätt, fast med ljusfrekvenser snarare än ljud. Dessa strukturer stöder resonanser, d.v.s. bara ljus med viss frekvens kan förbli i ett sådant system under lång tid. Som ett resultat av materialabsorptionsförlust, ljuset kan absorberas av resonatorn. Ytterligare, en fibervågledare är vanligtvis placerad tangentiell mot resonatorns kant för att koppla in ljus i eller ut ur resonatorn. Kopplingen mellan resonatorn och fibern skapar en ytterligare icke-avledande kopplingsförlustkanal, vilket gör att ljuset som fångas inuti resonatorn kan fly från fibern.

Forskarna skapade två WGM -mikroresonatorer med olika absorptionsförluster och kopplade deras optiska fält genom att placera dem nära varandra. Varje resonator är kopplad till en fibervågledare. Genom att ändra gapet mellan resonatorerna och vågledarna, de kunde justera kopplingsförlusten.

I deras experiment, forskarna uppnådde en perfekt absorption av inkommande ljus från vågledarkanalerna, en situation som kallas koherent perfekt absorption (CPA), genom att optimera förhållandet mellan de två kopplingsförlusterna och de två absorptionsförlusterna. CPA är tidsomvändningen av laserprocessen - istället för att släppa ut ljuset, systemet absorberar det upplysta ljuset helt utan utsläpp eller spridning.

"I allmänhet, ett förlustfyllt optiskt system kan absorbera inkommande ljus, men perfekt absorption kan inte ske om inte förlustparametrarna, såsom förhållandet mellan absorption och kopplingsförluster, är klokt utformad och kontrollerad, "Sa Yang." Vad mer är, för att perfekt absorption ska hända, de inkommande laserstrålarna måste pendla med en exakt frekvens och injiceras från två vågledarkanaler med ett väl utformat förhållande mellan amplituder och faser. "

I ett system med två optiska resonatorer, det finns två sorters vågformer som kan absorberas fullt ut, och de sker med två olika frekvenser. Därför, systemet beter sig vanligtvis som två perfekta absorberare. Men med en optimering av kopplingen mellan resonatorerna inställda av deras gap, dessa två frekvenser och vågformer smälter samman och gör att något okonventionellt händer. Genom att ställa in systemet till den punkten, forskarna observerade för första gången en linjeform av utgångsspektret som är bredare än den konventionella Lorentzianska linjeformen.

"När de två CPA -lägena sammanfaller, systemet når en speciell typ av degeneration som kallas en perfekt absorberande exceptionell punkt, "sa Changqing Wang, en doktorand i Yangs labb och första författare till tidningen. "Det skiljer sig i grunden från andra konventionella typer av degenerationer som hittades i öppna vågsystem. Det verkar som om du har två absorberare som fungerar med samma frekvens och perfekt absorberar samma typ av strålar. Men systemet beter sig mycket annorlunda än en enda absorbator, inte heller bara summan av två absorberare. "

Med de degenererade perfekta absorberande lägen, genom att något förändra den relativa fördröjningen för de två laserstrålarna som kommer in i de två vågledarna, systemets absorption kan variera dramatiskt från stark till svag. Jämfört med konventionell absorber, denna modulering sker vid ett bredare frekvensområde på grund av effekten av icke -triviell degeneration vid den perfekt absorberande exceptionella punkten. Detta fenomen förekommer inte för ett system utan förlust, eller system som har en balans mellan vinst och förlust.

"Detta arbete ger ny insikt i hur man kan utnyttja olika typer av förluster för att manipulera ett öppet fysiskt system, "Sa Yang." Tidigare har förlust har möjliggjort många intressanta fysiska fenomen inom icke-hermitisk optisk, akustiska och elektroniska system, men det finns en stor potential i att utnyttja de olika rollerna för olika förlustkällor. Till exempel, här i detta arbete spelar förlusten av materialabsorption en distinkt roll från den icke-dissipativa kopplingsförlusten när det gäller att skräddarsy systemets spridningsegenskap. De olika typerna av förluster berikar frihetsgraderna för optisk teknik. "

Denna upptäckt av icke -urbörd degenererad perfekt absorption av ljus ger insikt för olika tillämpningar inom fotonik, akustik, elektronik och kvantsystem, Sa Yang. De perfekt absorberande exceptionella punkterna kan utnyttjas för att konstruera optiska sensorer med ultrahög känslighet för nanopartikeldetektering, mätning av rotationshastighet och avbildning av biovävnad.

"Den rena nödvändigheten av förlust utan behov av vinst gör designen enklare, mer tillgängligt, och mer stabil, på grund av det faktum att tillförsel av förstärkning till enheterna alltid är mycket mer besvärligt och ger ytterligare buller som försämrar systemets prestanda, "Sa Yang." Förlust är allestädes närvarande i naturen, och genom att bättre förstå det, vi gör det mer användbart. "