Inom fysikens rike har syntetiska dimensioner (SD) dykt upp som en av gränserna för aktiv forskning, och erbjuder en väg att utforska fenomen i högre dimensionella utrymmen, bortom vårt konventionella 3D geometriska rum. Konceptet har fått stor uppmärksamhet, särskilt inom topologisk fotonik, på grund av dess potential att låsa upp rik fysik som är otillgänglig i traditionella dimensioner.
Forskare har föreslagit olika teoretiska ramverk för att studera och implementera SD:er, som syftar till att utnyttja fenomen som syntetiska mätfält, kvanthallfysik, diskreta solitoner och topologiska fasövergångar i fyra dimensioner eller högre. Dessa förslag kan leda till nya grundläggande förståelser inom fysiken.
En av de primära utmaningarna i konventionella 3D-rymden är det experimentella förverkligandet av komplexa gitterstrukturer med specifika kopplingar. SD erbjuder en lösning genom att tillhandahålla en mer tillgänglig plattform för att skapa invecklade nätverk av resonatorer med anisotropa, långdistans- eller dissipativa kopplingar. Denna förmåga har redan lett till banbrytande demonstrationer av icke-hermitisk topologisk lindning, paritet-tidssymmetri och andra fenomen.
En mängd parametrar eller frihetsgrader inom ett system, såsom frekvenslägen, rumsliga lägen och orbital vinkelmoment, kan användas för att konstruera SD:er, lovande för tillämpningar inom olika områden, från optisk kommunikation till topologiska isolatorlasrar.
Ett nyckelmål inom detta område är konstruktionen av ett "utopiskt" nätverk av resonatorer där vilket par av moder som helst kan kopplas på ett kontrollerat sätt. För att uppnå detta mål krävs exakt lägesmanipulation inom fotoniska system, vilket erbjuder möjligheter för att förbättra dataöverföring, energiutvinningseffektivitet och laseruppsättningsutstrålning.
Nu, som rapporterats i Avancerad fotonik , har ett internationellt team av forskare skapat anpassningsbara arrayer av vågledare för att fastställa syntetiska modala dimensioner. Detta framsteg möjliggör effektiv kontroll av ljuset i ett fotoniskt system, utan behov av komplicerade extrafunktioner som olinjäritet eller icke-hermiticitet.
Professor Zhigang Chen från Nankai University noterar, "Förmågan att justera olika ljuslägen i systemet tar oss ett steg närmare att uppnå "utopiska" nätverk, där alla parametrar i ett experiment är perfekt kontrollerbara."
I sitt arbete modulerar forskarna störningar ("wiggling frequency") för utbredning som matchar skillnaderna mellan olika ljuslägen. För att göra det använder de artificiella neurala nätverk (ANN) för att designa vågledarmatriser i verkliga rymden. ANN:erna är tränade för att skapa vågledaruppsättningar som har exakt de önskade modemönstren. Dessa tester hjälper till att avslöja hur ljus fortplantar sig och begränsas i arrayerna.
Slutligen visar forskarna användningen av ANN för att designa en speciell typ av fotonisk gitterstruktur som kallas ett Su-Schrieffer-Heeger (SSH) gitter. Detta galler har en specifik egenskap som möjliggör topologisk kontroll av ljus i hela systemet. Detta gör att de kan ändra bulkläget i vilket ljus färdas, vilket visar upp de unika egenskaperna hos deras syntetiska dimensioner.
Implikationen av detta arbete är betydande. Genom att finjustera vågledaravstånd och frekvenser strävar forskarna efter att optimera designen och tillverkningen av integrerade fotoniska enheter.
Professor Hrvoje Buljan vid University of Zagreb säger:"Bortom fotonik erbjuder detta arbete en inblick i geometriskt otillgänglig fysik. Det lovar för applikationer som sträcker sig från modlasering till kvantoptik och dataöverföring."
Både Chen och Buljan noterar att samspelet mellan topologisk fotonik och fotonik med syntetiska dimensioner som bemyndigats av ANN:er öppnar nya möjligheter för upptäckter som kan leda till material och enhetstillämpningar som saknar motstycke.
Mer information: Shiqi Xia et al, Syntetisk dimensionsdynamik med stöd av djupinlärning:omvandling av ljus till topologiska lägen, Avancerad fotonik (2024). DOI:10.1117/1.AP.6.2.026005
Tillhandahålls av SPIE
