Die vollständige kohärente Kontrolle des Wellentransports und der Wellenlokalisierung ist ein seit langem angestrebtes Ziel der Wellenphysikforschung, die viele verschiedene Bereiche von der Festkörper- bis zur Materiewellenphysik und Photonik umfasst. Einer der wichtigsten und faszinierendsten kohärenten Transporteffekte ist die Bloch-Oszillation (BO), die sich auf die periodische Schwingungsbewegung von Elektronen in Festkörpern unter einem von Gleichstrom (DC) angetriebenen elektrischen Feld bezieht.
Super-Bloch-Oszillationen (SBOs) sind riesige Schwingungsbewegungen, die durch die gleichzeitige Anwendung verstimmter Gleich- und Wechselstromfelder erreicht werden. SBOs gelten als verstärkte Versionen von BOs und erhalten weniger Aufmerksamkeit als gewöhnliche BOs, hauptsächlich weil ihre experimentellen Beobachtungen anspruchsvoller sind und eine viel längere Partikelkohärenzzeit erfordern.
Ein einzigartiges Merkmal von SBOs ist die Existenz einer kohärenten Schwingungshemmung durch einen AC-antreibenden Renormierungseffekt, der sich als Lokalisierung eines Schwingungsmusters mit verschwindender Schwingungsamplitude manifestiert. Dieses interessante Phänomen, das als „Kollaps“ von SBO bezeichnet wird, tritt typischerweise im starken AC-antreibenden Regime auf und wurde in früheren Experimenten mit SBOs auf Basis von Elektronik und anderen Systemen nicht erreicht. Alle aktuellen theoretischen und experimentellen Studien zu SBOs beschränkten sich auf die einfachsten Fälle von sinusförmigem AC-antreibendem Verhalten, sodass der SBO-Kollaps unter allgemeineren AC-antreibenden Formaten und die Möglichkeit, SBOs für eine flexible kohärente Wellenmanipulation zu nutzen, ebenfalls unerforscht bleiben.
In einer aktuellen Studie haben sich Forscher des Wuhan National Laboratory for Optoelectronics and School of Physics, der Huazhong University of Science and Technology (HUST) und der Polytechnischen Universität Mailand vorgenommen, diese Probleme in Angriff zu nehmen. Wie berichtet In Fortgeschrittene PhotonikDurch die Kombination eines Gleichstrom- und eines nahezu verstimmten Wechselstrom-elektrischen Felds im synthetischen Zeitgitter gelang es den Forschern, SBOs bis in den stark treibenden Bereich zu erreichen. Zum ersten Mal konnten sie den SBO-Kollaps-Effekt beobachten und SBOs in Antriebssituationen mit beliebigen Wellen erweitern.
Mit der flexiblen Steuerbarkeit, die durch die Anpassung der synthetischen Gleich- und Wechselstromfelder erreicht wird, beobachten die Forscher die Merkmale der verschwindenden Schwingungsamplitude und der Umkehrung der anfänglichen Schwingungsrichtung bei bestimmten Antriebsamplituden, was die klaren Anzeichen des SBO-Zusammenbruchs zeigt. Für sinusförmige Wechselstrom-Antriebe zeigen sie, dass der SBO-Zusammenbruch auftritt, wenn das Amplituden-Frequenz-Verhältnis des Wechselstrom-Antriebsfelds die Wurzel der Bessel-Funktion erster Ordnung annimmt. Dies manifestiert sich als vollständige Hemmung der Schwingung mit verschwindender Schwingungsamplitude sowie der Umkehrung der anfänglichen Schwingungsrichtung durch Überschreiten des Zusammenbruchspunkts.
Die charakteristischen schnellen Schwingungseigenschaften von SBOs und der Kollaps von SBOs wurden auch anhand des Fourierspektrums von Schwingungsmustern analysiert. Durch die Verallgemeinerung von SBOs vom sinusförmigen Antriebsformat zu einem Antriebsformat mit beliebiger Welle beobachteten die Forscher auch die verallgemeinerten SBOs mit einstellbaren Kollaps-Bedingungen. Schließlich nutzt der Bericht die Schwingungsrichtungsumkehrfunktion, um einstellbare zeitliche Strahlverteiler und -verteiler zu entwerfen.
Laut dem korrespondierenden Autor Stefano Longhi, Professor am Polytechnischen Institut in Mailand, „realisiert diese Arbeit periodische Schwingungen und den Transport optischer Impulse, die auch breite Anwendung in der vielseitigen zeitlichen Strahlsteuerung bei der Lichtführung, -aufspaltung und -lokalisierung für die optische Kommunikation und Signalverarbeitung der nächsten Generation finden könnten.“
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Xinyuan Hu et al., Beobachtung des Kollapses von Super-Bloch-Schwingungen in stark getriebenen photonischen Zeitgittern, Fortgeschrittene Photonik (2024). DOI: 10.1117/1.AP.6.4.046001