Ein nichtlinearer außergewöhnlicher Nexus mit einem ultra-verbesserten Signal-Rausch-Verhältnis

Prof. Duanduan Wan und Prof. Meng Xiao von der School of Physics der Wuhan University veröffentlichten kürzlich eine Studie in der Zeitschrift National Science Review. Ihre Arbeit liefert ein einfaches, aber intuitives Beispiel, das sowohl mit Theorie- als auch mit Schaltungsexperimenten einen „außergewöhnlichen Nexus“ („EX“), einen außergewöhnlichen Punkt höherer Ordnung (HOEP), demonstriert. Dieses HOEP wird innerhalb von nur zwei gekoppelten Resonatoren mit Hilfe einer nichtlinearen Verstärkung realisiert. Darüber hinaus weist ein solches HOEP ein ultraverbessertes Signal-Rausch-Verhältnis auf.

Exceptional Points (EPs) liegen den jüngsten Fortschritten in der nicht-hermitischen Physik zugrunde, wie z. B. Empfindlichkeitsverbesserung, Skin-Effekte und Modenflechten. In den letzten Jahren gab es eine anhaltende Debatte darüber, ob EPs die Leistung des Sensors verbessern können oder nicht.

Mögliche Argumente sind strenge Parameteranforderungen, grundlegende Auflösungsgrenzen und Rauschverstärkung in der Nähe der EPs. Angesichts dieser Herausforderungen beabsichtigen die Forscher, zu dem Schluss zu kommen, dass EPs, sogar EPs höherer Ordnung (HOEPs), die Empfindlichkeit anstelle des Signal-Rausch-Verhältnisses verbessern. Hier zeigt dieses Team von der Universität Wuhan, dass ein solches nichtlinearitätsfähiges HOEP nicht nur eine divergierende Empfindlichkeit, sondern auch ein divergierendes Signal-Rausch-Verhältnis aufweist.

Dieses Team untersucht die nichtlineare Verstärkungssättigung in nicht-hermiteschen Systemen und demonstriert mit Theorie und Schaltungsexperimenten einen außergewöhnlichen Nexus (EX), ein HOEP, innerhalb von nur zwei gekoppelten Resonatoren (siehe erstes Bild). Interessanterweise können die oben erwähnten Schwierigkeiten, die bei anderen EPs beim Erfassen angetroffen werden, aufgrund der exquisiten Dimensionskorrelation in diesem nichtlinearen System auf natürliche Weise in Einklang gebracht werden. Darüber hinaus wird das Signal-Rausch-Verhältnis in der Nähe von HOEP deutlich verbessert (siehe zweites Bild).

Dieses Ergebnis kann erhebliche unmittelbare Auswirkungen auf das grundlegende Verständnis der außergewöhnlichen Singularitäten nichtlinearer nichthermitescher Systeme haben und neue Wege für Anwendungen wie ultraempfindliche Messungen eröffnen.