Laser Femto giây Viết trực tiếp các dao động Bloch trong mạng lưới quang học

Ngày 28 tháng 4 năm 2024, nhóm của Giáo sư Shu Xuewen tại Đại học Khoa học và Công nghệ Huazhong (HUST), phối hợp với nhóm của Giáo sư Sun Xiankai tại Đại học Trung Quốc Hồng Kông (CUHK), đã công bố tiến trình nghiên cứu mới nhất Quan sát trực quan về quang tử Floquet -Bloch dao động.
Dao động Bloch là một hiện tượng vận chuyển lượng tử kết hợp cổ điển được biểu hiện dưới dạng dao động tuần hoàn của các hạt lượng tử trong một trường thế tuần hoàn dưới tác dụng của một lực không đổi tác dụng. Là một hiệu ứng vật lý cơ bản, dao động Bloch đã được phát hiện và nghiên cứu trong nhiều hệ thống khác nhau, chẳng hạn như siêu mạng bán dẫn, nguyên tử cực lạnh, mảng ống dẫn sóng ghép và mạng quang tử chiều tổng hợp, v.v. nghiên cứu vật lý mà còn cung cấp những ý tưởng và phương pháp mới để thao tác linh hoạt sự tiến triển của hàm sóng. Tuy nhiên, các nghiên cứu về hiện tượng dao động Bloch chủ yếu tập trung vào các hệ tĩnh và hiện tượng dao động Bloch trong các hệ dẫn động định kỳ (Floquet) cần được nghiên cứu sâu hơn.

Hình 1. (a) Sơ đồ mảng ống dẫn sóng ghi trực tiếp laser femto giây. ( b ) Ảnh chụp mặt cắt ngang của mẫu được chuẩn bị thí nghiệm. (c) Ảnh nhìn từ trên xuống của mẫu được chuẩn bị thử nghiệm.
Để giải quyết vấn đề này, nghiên cứu này nghiên cứu hiện tượng dao động Bloch trong hệ thống Froché bằng cách sử dụng mảng ống dẫn sóng uốn cong một chiều được chuẩn bị bằng cách ghi trực tiếp bằng laser femtosecond, đề xuất một lý thuyết tổng quát về hiện tượng dao động Bloch trong mạng Froché quang học, đồng thời trực quan hóa bằng thực nghiệm và quan sát hiện tượng dao động quang học Froché-Bloch. Như được hiển thị trong Hình 1, quỹ đạo uốn của ống dẫn sóng trong mảng là một quỹ đạo tổng hợp bao gồm uốn cong tròn chồng lên uốn cong định kỳ. Theo phép tính gần đúng trục tối, phương trình dao động mô tả sự tiến triển của sự truyền ánh sáng trong mảng ống dẫn sóng này tương đương về mặt toán học với phương trình Schrödinger mô tả sự tiến hóa phụ thuộc thời gian của các electron trong trường thế tuần hoàn dưới tác dụng của điện trường ứng dụng, và hướng truyền ánh sáng trong mảng ống dẫn sóng tương đương với thuật ngữ thời gian trong phương trình Schrödinger. Độ cong của quỹ đạo uốn ống dẫn sóng được coi là lực điện trường tương đương tác dụng lên sóng ánh sáng truyền qua, trong đó quỹ đạo uốn tròn tạo ra lực điện trường không đổi tương đương dẫn đến dao động Bloch và quỹ đạo uốn cong tuần hoàn tạo ra điện trường tuần hoàn tương đương lực giới thiệu điều chế Frohnke. Do đó, mảng ống dẫn sóng cho phép quan sát hiện tượng dao động Bloch trong mạng Floquet quang học.

Hình 2. (a)-(d) Quan sát thực nghiệm khi kích thích ống dẫn sóng đơn. (e)-(h) Quan sát thực nghiệm khi kích thích chùm tia rộng.
Trong nghiên cứu này, sự phát triển của việc truyền sóng ánh sáng liên tục trong các mảng ống dẫn sóng đã được hiển thị và quan sát bằng kính hiển vi huỳnh quang ống dẫn sóng. Hình 2 cho thấy các chế độ dao động và nhịp thở của hiện tượng dao động Bloch trong mạng Froquet quang học tương ứng với tần suất tới của ống dẫn sóng đơn và tần số chùm tia rộng. Khi chu kỳ điều chế Floquet không bằng bất kỳ bội số nguyên nào của chu kỳ dao động Bloch, thì độ phân tán của Floquet không đổi và bằng 0, và các dao động Floquet-Bloch quang học có chu kỳ là bội số chung nhỏ nhất của chu kỳ điều chế Floquet và Bloch chu kỳ dao động xảy ra. Trong các trường hợp còn lại, độ phân tán Floquet không còn bằng 0 và sự truyền ánh sáng thường được đặc trưng bởi nhiễu xạ khuếch tán. Ngoài ra, các nhà nghiên cứu đã nghiên cứu về mặt lý thuyết và thực nghiệm ảnh hưởng của các tham số điều chế Flokay đến các dao động quang học Flokay-Bloch, cho thấy bản chất tiến hóa độc đáo của hiện tượng này, bao gồm các đặc tính quang phổ fractal liên quan đến thời kỳ điều chế Flokay và Flokay bậc phân đoạn. đặc tính đường hầm liên quan đến biên độ điều chế Flokay.

Hình 3. (a) Đặc tính phổ phân dạng của dao động Froquet-Bloch quang học. ( b ) Đặc tính đường hầm Floquet-Bloch thứ tự phân số của dao động Floquet-Bloch quang học.
Quan sát trực quan các dao động Floquet-Bloch quang học cho thấy một cơ chế mới về tiến hóa hàm sóng, có ý nghĩa lớn trong cả nghiên cứu cơ bản và ứng dụng thực tế. Về mặt nghiên cứu cơ bản, mô hình lý thuyết và nền tảng thử nghiệm hỗ trợ khám phá sâu hơn các hiện tượng mới phát sinh từ sự tương tác giữa thiết kế và điều chế dao động Frohike-Bloch với mạng nhị phân, mạng phi Ermian và phi tuyến quang học; và xét về mặt ứng dụng thực tế, dao động Frohike-Bloch quang học về cơ bản là một hiện tượng vận chuyển kết hợp và do đó có thể. Trong các ứng dụng thực tế, dao động Floquet-Bloch quang học về cơ bản là một hiện tượng vận chuyển kết hợp và do đó có thể được mở rộng cho nhiều loại nghiên cứu các nền tảng như mạng miền tần số tổng hợp, nguyên tử lạnh, tinh thể không-thời gian và bước đi lượng tử, và dự kiến ​​sẽ được sử dụng để thực hiện chuyển đổi tần số, đo lường chính xác và điều khiển nhiều loại truyền sóng.