Scrittura diretta con laser a femtosecondi delle oscillazioni di Bloch in reticoli ottici floquet

Il 28 aprile 2024, il team del Prof. Shu Xuewen dell'Università di Scienza e Tecnologia di Huazhong (HUST), in collaborazione con il team del Prof. Sun Xiankai dell'Università cinese di Hong Kong (CUHK), ha pubblicato gli ultimi progressi della ricerca Osservazione visiva di fotoni Oscillazioni di Floquet-Bloch.
Le oscillazioni di Bloch sono un classico fenomeno di trasporto quantistico coerente che si manifesta come oscillazioni periodiche di particelle quantistiche in un campo potenziale periodico sotto l'azione di una forza costante applicata. Come effetto fisico fondamentale, le oscillazioni di Bloch sono state scoperte e studiate in una varietà di sistemi, come superreticoli di semiconduttori, atomi ultrafreddi, schiere di guide d'onda accoppiate e reticoli fotonici dimensionali sintetici, ecc. I relativi risultati della ricerca non solo promuovono lo sviluppo di fondamentali ricerca fisica, ma forniscono anche nuove idee e metodi per la manipolazione flessibile dell'evoluzione della funzione d'onda. Tuttavia, gli studi sul fenomeno dell'oscillazione di Bloch si sono concentrati principalmente sui sistemi statici, e il fenomeno dell'oscillazione di Bloch nei sistemi periodicamente guidati (Floquet) necessita di essere ulteriormente esplorato in profondità.

Fig. 1. (a) Schema dell'array di guide d'onda a scrittura diretta con laser a femtosecondi. (b) Fotografia della sezione trasversale del campione preparato sperimentalmente. (c) Foto vista dall'alto del campione preparato sperimentalmente.
Per affrontare questo problema, questo studio indaga il fenomeno dell'oscillazione di Bloch nel sistema Froché utilizzando una matrice di guida d'onda piegata unidimensionale preparata mediante scrittura diretta con laser a femtosecondi, propone una teoria generale del fenomeno dell'oscillazione di Bloch nel reticolo ottico di Froché e visualizza sperimentalmente e osserva il fenomeno dell'oscillazione ottica di Froché-Bloch. Come mostrato in Fig. 1, la traiettoria di piegatura della guida d'onda nell'array è una traiettoria composita costituita da una piegatura circolare sovrapposta alla piegatura periodica. Nell'approssimazione dell'asse della sera, l'equazione di fluttuazione che descrive l'evoluzione del trasporto della luce in questa schiera di guide d'onda è matematicamente equivalente all'equazione di Schrödinger che descrive l'evoluzione dipendente dal tempo degli elettroni in un campo potenziale periodico sotto l'azione di un campo elettrico applicato, e la direzione del trasporto della luce nella schiera di guide d'onda è equivalente al termine temporale nell'equazione di Schrödinger. La curvatura della traiettoria di flessione della guida d'onda è considerata come la forza del campo elettrico equivalente che agisce sull'onda luminosa trasmessa, dove la traiettoria di flessione circolare genera la forza del campo elettrico costante equivalente che porta alle oscillazioni di Bloch e la traiettoria di flessione periodica genera il campo elettrico periodico equivalente forza che introduce la modulazione di Frohnke. Pertanto, la schiera di guide d'onda consente l'osservazione del fenomeno dell'oscillazione di Bloch in un reticolo ottico di Floquet.

Figura 2. (a)-(d) Osservazioni sperimentali all'eccitazione di una singola guida d'onda. (e)-(h) Osservazioni sperimentali con eccitazione a fascio largo.
In questo studio, l'evoluzione della trasmissione continua delle onde luminose nelle matrici di guide d'onda è stata visualizzata e osservata utilizzando la microscopia a fluorescenza della guida d'onda. La Fig. 2 mostra le modalità di respirazione e oscillazione del fenomeno di oscillazione di Bloch nel reticolo ottico di Froquet rispettivamente per l'incidenza della guida d'onda singola e per l'incidenza del fascio ampio. Quando il periodo di modulazione di Floquet è diverso da qualsiasi multiplo intero del periodo di oscillazione di Bloch, la dispersione di Floquet è costante e uguale a zero, e le oscillazioni ottiche Floquet-Bloch con un periodo che è il minimo comune multiplo del periodo di modulazione di Floquet e del periodo di Bloch verificarsi un periodo di oscillazione. Nel resto dei casi, la dispersione di Floquet non è più uguale a 0, e la trasmissione della luce è solitamente caratterizzata da una diffrazione diffusa. Inoltre, i ricercatori hanno studiato teoricamente e sperimentalmente l'effetto dei parametri di modulazione di Flokay sulle oscillazioni ottiche di Flokay-Bloch, rivelando la natura evolutiva unica del fenomeno, comprese le proprietà spettrali frattali associate al periodo di modulazione di Flokay e al periodo di modulazione di Flokay di ordine frazionario. proprietà di tunneling associate all'ampiezza della modulazione Flokay.

Fig. 3. (a) Proprietà spettrali frattali delle oscillazioni ottiche di Froquet-Bloch. (b) Proprietà di tunneling Floquet-Bloch di ordine frazionario delle oscillazioni ottiche di Floquet-Bloch.
L'osservazione visiva delle oscillazioni ottiche di Floquet-Bloch rivela un nuovo meccanismo di evoluzione della funzione d'onda, che è di grande importanza sia nella ricerca fondamentale che nelle applicazioni pratiche. In termini di ricerca fondamentale, il modello teorico e la piattaforma sperimentale supportano l'ulteriore esplorazione dei nuovi fenomeni derivanti dall'interazione tra la progettazione e la modulazione delle oscillazioni di Frohike-Bloch con reticoli binari, reticoli non ermiani e non linearità ottiche; e in termini di applicazioni pratiche, le oscillazioni ottiche di Frohike-Bloch sono essenzialmente un fenomeno di trasporto coerente, e quindi possono essere estese a una varietà di ricerche piattaforme come reticoli sintetici nel dominio della frequenza, atomi freddi, cristalli spazio-temporali e passeggiate quantistiche, e dovrebbero essere utilizzate per realizzare conversioni di frequenza, misurazioni di precisione e la manipolazione di una varietà di trasmissioni di onde.