Mehrdimensionale Bandstrukturspektroskopie in der photonischen synthetischen Frequenzdimension

In der photonischen Synthesedimension erzeugt die Kopplung interner Freiheitsgrade von Photonen wie Frequenz, räumlicher Modus und Bahndrehimpuls zusätzliche Dimensionen zusätzlich zum realen Raum. Dieser Ansatz ist ein leistungsstarkes Werkzeug zur Untersuchung neuartiger physikalischer Phänomene, die ausschließlich in hochdimensionalen Systemen vorkommen, und nutzt niedrigdimensionale Plattformen, die Vorteile in Bezug auf Technik und Steuerung bieten.

Viele nichttriviale Aspekte der hochdimensionalen Physik können durch Bandstrukturmessungen aufgedeckt werden. In der photonischen synthetischen Frequenzdimension sind bestehende Bandstrukturmessungen auf eindimensionale Brillouin-Zonen oder eindimensionale Teilmengen zwei- oder dreidimensionaler Brillouin-Zonen beschränkt.

Daher besteht Bedarf an einer Technik, die Bandstrukturmessungen über die gesamte mehrdimensionale Brillouin-Zone ermöglicht. Wenn Forscher von einer solchen Technik profitieren, können sie ein umfassenderes Verständnis der zugrunde liegenden Physik erlangen und Einblicke in die einzigartigen Verhaltensweisen gewinnen, die in den hochdimensionalen Regimen auftreten.

In einer aktuellen Veröffentlichung in Licht: Wissenschaft und Anwendungenhat ein Team unter der Leitung von Professor Shanhui Fan von der Stanford University über eine solche mehrdimensionale Bandstrukturspektroskopie in der photonischen synthetischen Frequenzdimension berichtet. Als experimentelle Plattform nutzten die Forscher einen photonischen Resonator unter dynamischer Modulation. Mithilfe mehrerer Modulationsfrequenzen wurde mit diesem einzigen Resonator ein mehrdimensionales Gitter in der synthetischen Frequenzdimension erzeugt.

Um die Bandstruktur dieses Gitters zu messen, wurde der Resonator durch einen Laser mit abstimmbarer Frequenz angeregt und das zeitabhängige Sendesignal durch einen Fotodetektor gesammelt. Beim Durchlaufen der Eingangslaserfrequenz wurden die Bandenergien aus den Resonanzmerkmalen im Transmissionsspektrum extrahiert. Bezeichnenderweise konnten die Forscher durch Abstimmung der relativen Phasen zwischen verschiedenen Modulationsfrequenzen die Gitterbandstruktur über die gesamte mehrdimensionale Brillouin-Zone auflösen.

Mithilfe dieser mehrdimensionalen Bandstrukturspektroskopie haben die Forscher die zweidimensionale Bandstruktur eines nicht-hermiteschen Systems gemessen und einige Eigenschaften im Zusammenhang mit der nichttrivialen Eigenwerttopologie enthüllt. Diese Eigenschaften sind besonders faszinierend, da sie mit dem nicht-hermiteschen Skin-Effekt verbunden sind, einem exotischen Phänomen, bei dem alle Eigenzustände eines endlichen nicht-hermiteschen Systems sexponentiell auf den Grenzen liegen.

Der Nachweis dieser Eigenschaften bringt uns der Nutzung des Potenzials nicht-hermitescher Systeme einen Schritt näher.

Die Ergebnisse der Forscher unterstreichen die Bedeutung der mehrdimensionalen Bandstrukturspektroskopie als Werkzeug zur Erforschung der Geheimnisse hochdimensionaler Systeme und treiben letztendlich Fortschritte auf dem Gebiet der Physik und Technik voran.

Die Forscher kommentierten: „Die Essenz der synthetischen Dimension liegt in der Möglichkeit, unseren Werkzeugkasten in der hochdimensionalen Physik zu erweitern. Angesichts der Fülle an physikalischen Informationen, die in den Bandstrukturen eingebettet sind, glauben wir, dass die mehrdimensionale Bandstrukturspektroskopie eine entscheidende Rolle spielt.“ Meilenstein in dieser Richtung. Es wird unser Verständnis und die Handhabung hochdimensionaler Systeme erleichtern und möglicherweise Inspiration für optische Geräte mit innovativen Funktionalitäten liefern.“

Die Forscher betonten auch die Generalisierbarkeit ihres spektroskopischen Ansatzes in komplexeren Systemen.