Nyligen har utforskningen av Bloch-oscillationer (BO) i periodiskt drivna kvantsystem, motsvarande "Floquet-system", väckt enorm uppmärksamhet eftersom deras exotiska egenskaper skiljer sig mycket från dem i statiska system. Specifikt har två typer av Bloch-liknande svängningar undersökts:kvasi-Bloch-oscillationer (QBO) och super-Bloch-oscillationer (SBOs).
Den inneboende kopplingen mellan dessa befintliga BOs i Floquet-system är dock fortfarande svårfångade, och en allmän teori om BOs i Floquet-system måste utvecklas. Dessutom, som en nyckel till att reda ut mekanismen för den underliggande transporten, är visuell observation av BOs i Floquet-system i stort sett outforskad i experiment.
I en artikel publicerad i Light:Science &Applications , ett team av vetenskapsmän ledda av professor Xuewen Shu från Huazhong University of Science and Technology, Kina, och professor Xiankai Sun från The Chinese University of Hong Kong, Hong Kong SAR, Kina har generaliserat Bloch-svängningarna till fotoniska Floquet-gitter.
Detta ledde till de "fotoniska Floquet–Bloch-oscillationerna (FBOs)," som hänvisar till omskalade fotoniska Bloch-oscillationer med en period av förlängd minsta gemensamma multipel av moduleringsperioden och Bloch-oscillationsperioden. De fotoniska FBO:erna förekommer för godtycklig Floquet-modulering när det rationella förhållandet mellan Floquet-modulationsperioden och Bloch-oscillationsperioden är icke-heltal. Enligt detta ramverk kan de konventionella QBO:erna och SBO:erna nu förenas och behandlas som två specialfall av FBO:er.
Genom att använda vågledarfluorescensmikroskopi, visualiserade de direkt andningen och oscillerande rörelser hos fotoniska FBOs i femtosekund-laserskrivna vågledarmatriser. Det är viktigt att de experimentellt undersökte två exotiska egenskaper hos fotoniska FBO:er, nämligen fraktalspektrum och fraktionerad Floquet-tunneling.
Med denna insikt föreslog de att fotoniska FBO:er utgör ett unikt transportfenomen i sig, förutom att det är en generalisering av de befintliga BO:erna i Floquet-system.
För att visualisera Bloch-svängningarna i ett fotoniskt Floquet-gitter, övervägde de en uppsättning optiska vågledare med cirkulär böjning med en periodisk modulering.
Den rumsliga utvecklingen av lågeffektljus i det föreslagna gittret är analog med den tidsmässiga utvecklingen av icke-interagerande elektroner i en periodisk potential utsatt för ett elektriskt fält. Utbredningskoordinaten z fungerar som "tid" och vågledarnas krökning uppfattas som en effektiv elektrisk fältkraft som verkar på ljusvågor. Den cirkulära böjningsbanan introducerar en konstant elektrisk fältkraft ansvarig för BOs.
Den periodiska böjningsbanan introducerar en periodisk elektrisk fältkraft, som fungerar som Floquet-modulationen. Därför kan det föreslagna gittret stödja en experimentell realisering av Bloch-svängningar i ett fotoniskt Floquet-gitter. I experimenten implementerade de excitation av synligt ljus med en He-Ne-laser (633 nm) och fångade fluorescerande signaler (650 nm) som emitterades från vågledarna.
Den fluorescerande signalen ovanifrån registrerar de intrikata detaljerna i kontinuumutvecklingen, vilket möjliggör noggrann kvantitativ analys. För excitationer med både enstaka ställen och bredstrålar har de visuella observationerna av BO i fotoniska Floquet-gitter och motsvarande kvantitativa analyser utmärkt överensstämmelse med de respektive simulerade resultaten.
Fotoniska Floquet-Bloch-svängningar är i huvudsak ett sammanhängande fenomen som lätt kan utvidgas till olika fysiska system som ultrakalla atomer, syntetiska frekvensgitter och kvantvandringar. Den visuella observationen av fotoniska FBO är en nyckel för att förstå den underliggande transportmekanismen, som har en betydande inverkan på både grundläggande forskning och praktiska tillämpningar.
För grundläggande forskning möjliggör den enkla visualiseringen av fenomenet och den höga kontrollen av den tillverkade strukturen ytterligare utforskning av en gren av fundamentala fenomen som involverar FBO:er, såsom samspelet mellan FBO:er och binära gitter, icke-hermitiska gitter och optisk olinjäritet.
För praktiska tillämpningar kan den demonstrerade manipulationen av optiska vågor implementeras i olika vågsystem och kan erbjuda ny insikt i breda tillämpningar inom vågmanipulation, signalbehandling, högeffektiv frekvensomvandling och precisionsmätning.
Mer information: Zhen Zhang et al., Visuell observation av fotoniska Floquet–Bloch-oscillationer, Light:Science &Applications (2024). DOI:10.1038/s41377-024-01419-z
Tillhandahålls av Chinese Academy of Sciences
