Forskare från University of Central Florida är en del av ett team som för första gången har avslöjat krångligheterna i hur ljus beter sig i avancerade dynamiska optiska system med konfigurationer som kallas icke-hermitiska arrangemang.

I icke-hermitiska system skapar tillåtna energivärden självkorsande ytor med en unik topologi och förgreningspunkter, som är kända som exceptionella punkter. Ytorna korsar varandra i en vridning, betecknad med en exceptionell spets.

Teamet fann att topologin för en energiyta i ett icke-hermitiskt arrangemang spelar mer roll för hur ljus beter sig i ett tidsföränderligt system än strikt slingring runt en exceptionell punkt. Detta inkluderar beteenden som kiral tillståndsöverföring, där ett utgångstillstånd är låst till lindningsriktningen, antingen medurs eller moturs.

Fynden, som nyligen publicerades i tidskriften Nature , skulle kunna stimulera utvecklingen av nya mekanismer för ljusmanipulation och lova djupgående konsekvenser för teknologier som miniatyriserade och robusta lasrar och ljusbaserade sensorer med hög precision.

Forskarna gjorde sina observationer genom att bygga en ny och mångfacetterad fotonisk emulator som gjorde det möjligt för dem att övervaka utvecklingen av pulsat laserljus i systemet när det långsamt varierade längs en stängd bana i närheten av en exceptionell punkt.

"Den optiska emuleringsplattformen som realiserades kan användas för att modellera några av de mest förbryllande fysiska fenomenen i naturen", säger studiens medförfattare Mercedeh Khajavikhan, professor i fysik och elektro- och datorteknik vid University of Southern California.

De experimentella observationerna utmanar tidigare demonstrationer men stöder nyligen teoretiska förutsägelser av Khajavikhan och studiens medförfattare Demetrios Christodoulides, Cobb Family Endowed Chair och Pegasus professor i optik vid University of Central Floridas CREOL, The College of Optics and Photonics.

Deras förutsägelser har visat att utsignalen från ett icke-hermitiskt optiskt system – oavsett dess inmatning – hamnar i ett av de två fördefinierade tillstånden, beroende på i vilken riktning en stängd bana sker dynamiskt i närheten av eller runt en exceptionell punkt .

"Andra studier har bara tittat på vad som händer i systemets input och output", säger studiens huvudförfattare, Hadiseh Nasari, en postdoktor vid University of Southern California och UCF:s CREOL, The College of Optics and Photonics, där arbete utfördes. "De kunde inte se vad som händer under processens gång."

"Vår emulator är ganska mångsidig när det gäller möjligheten att faktiskt övervaka och gräva i dynamiken i icke-hermitiska system nära en exceptionell punkt", säger hon.

Christodoulides säger att det grundläggande arbetet är ett stort steg mot att utnyttja potentialen i dessa system.

"Genom att bättre förstå den underliggande fysiken hos icke-hermitiska system kommer vi att kunna konstruera de variationer av energiförlust och vinst som behövs för att förverkliga integrerade men effektiva och kraftfulla optiska teknologier," säger Christodoulides.

Khajavikhan noterar den tekniska skicklighet som behövdes för att genomföra studien och de framtida forskningsvägar som den öppnar.

"Det här utmanande arbetet leddes av tre kvinnliga postdoktorer och doktorander - Hadiseh, Gisela Lopez-Galmiche och Helena E. Lopez-Aviles," säger Khajavikhan. "Deras arbete öppnar upp nya forskningsgränser när det gäller att använda fotoniska plattformar för att emulera komplexa system. De byggde i huvudsak en mycket kraftfull optisk analog dator."

Lopez-Galmiche var postdoktor vid CREOL, och Lopez-Aviles är utexaminerad från CREOLs doktorandprogram. + Utforska vidare

Forskare hittar nya sätt att få kvantkontroll från förlust