Forscher entwickeln neuen Emulator, der die Feinheiten des Lichtverhaltens in komplexen, sich entwickelnden Systemen offenbart

Forscher der University of Central Florida sind Teil eines Teams, das zum ersten Mal die Feinheiten des Verhaltens von Licht in fortschrittlichen dynamischen optischen Systemen mit Konfigurationen, die als nicht-hermitische Anordnungen bekannt sind, aufgedeckt hat.

In nicht-hermitischen Systemen erzeugen zulässige Energiewerte sich selbst schneidende Oberflächen mit einer einzigartigen Topologie und Verzweigungspunkten, die als außergewöhnliche Punkte bekannt sind. Die Flächen kreuzen sich in einem Twist, der durch einen außergewöhnlichen Punkt gekennzeichnet ist.

Das Team fand heraus, dass die Topologie einer Energiefläche in einer nicht-hermiteschen Anordnung eine größere Rolle dabei spielt, wie sich Licht in einem sich über die Zeit entwickelnden System verhält, als eine strikte Windung um einen außergewöhnlichen Punkt. Dazu gehören Verhaltensweisen wie chirale Zustandsübertragung, bei der ein Ausgangszustand an die Wickelrichtung gebunden ist, entweder im Uhrzeigersinn oder gegen den Uhrzeigersinn.

Die Ergebnisse, die kürzlich in der Zeitschrift veröffentlicht wurden Naturkönnte die Entwicklung neuartiger Mechanismen zur Lichtmanipulation vorantreiben und tiefgreifende Auswirkungen auf Technologien wie miniaturisierte und robuste Laser und hochpräzise lichtbasierte Sensoren versprechen.

Die Forscher machten ihre Beobachtungen, indem sie einen neuartigen und vielseitigen photonischen Emulator bauten, der es ihnen ermöglichte, die Entwicklung von gepulstem Laserlicht im System zu überwachen, wenn es sich langsam entlang eines geschlossenen Pfades in der Nähe eines außergewöhnlichen Punktes veränderte.

„Die realisierte optische Emulationsplattform kann verwendet werden, um einige der verwirrendsten physikalischen Phänomene in der Natur zu modellieren“, sagt Mercedeh Khajavikhan, Co-Autor der Studie, Professor für Physik und Elektrotechnik und Computertechnik an der University of Southern California.

Die experimentellen Beobachtungen stellen frühere Demonstrationen in Frage, unterstützen jedoch die jüngsten theoretischen Vorhersagen von Khajavikhan und dem Co-Autor der Studie, Demetrios Christodoulides, dem Cobb Family Stiftungslehrstuhl und Pegasus-Professor für Optik am CREOL, The College of Optics and Photonics der University of Central Florida.

Ihre Vorhersagen haben gezeigt, dass der Ausgang eines nicht-hermiteschen optischen Systems – unabhängig von seinem Eingang – in einen der beiden vordefinierten Zustände geleitet wird, abhängig von der Richtung, in der eine geschlossene Trajektorie dynamisch in der Nähe oder um einen Ausnahmepunkt herum stattfindet .

„Andere Studien haben nur untersucht, was in der Ein- und Ausgabe des Systems passiert“, sagt der Hauptautor der Studie, Hadiseh Nasari, Postdoktorand an der University of Southern California und CREOL der UCF, The College of Optics and Photonics, wo die Arbeit verrichtet wurde. „Sie konnten nicht sehen, was im Verlauf des Prozesses passiert.“

„Unser Emulator ist ziemlich vielseitig in Bezug auf die Möglichkeit, die Dynamik von nicht-hermiteschen Systemen nahe an einem außergewöhnlichen Punkt tatsächlich zu überwachen und zu untersuchen“, sagt sie.

Christodoulides sagt, die grundlegende Arbeit sei ein wichtiger Schritt, um das Potenzial dieser Systeme zu nutzen.

„Durch ein besseres Verständnis der zugrunde liegenden Physik nicht-hermitescher Systeme werden wir in der Lage sein, die Variationen von Energieverlust und -gewinn zu konstruieren, die für die Realisierung integrierter, aber effizienter und leistungsstarker optischer Technologien erforderlich sind“, sagt Christodoulides.

Khajavikhan weist auf die technischen Fähigkeiten hin, die für die Durchführung der Studie erforderlich waren, und auf die zukünftigen Forschungswege, die sie eröffnet.

„Diese herausfordernde Arbeit wurde von drei Postdoktorandinnen und Doktorandinnen geleitet – Hadiseh, Gisela Lopez-Galmiche und Helena E. Lopez-Aviles“, sagt Khajavikhan. „Ihre Arbeit eröffnet neue Forschungsgrenzen bei der Verwendung photonischer Plattformen zur Emulation komplexer Systeme. Sie haben im Wesentlichen einen sehr leistungsfähigen optischen Analogcomputer gebaut.“

Lopez-Galmiche war Postdoktorand bei CREOL, und Lopez-Aviles ist Absolvent des Doktorandenprogramms von CREOL.