On-Chip-mechanische Ausnahmepunkte basierend auf einem optomechanischen Reißverschluss-Hohlraum

Außergewöhnliche Punkte sind eine bestimmte Art von spektraler Singularität in nicht-hermiteschen Systemen und ihre faszinierende Physik wird mit optischen außergewöhnlichen Punkten untersucht. Ausnahmepunkte sind Singularitäten in den Energiefunktionen eines physikalischen Systems, bei denen zwei Lichtmoden miteinander verschmelzen können, um ungewöhnliche Effekte zu erzeugen. Mechanische Oszillatoren sind ein System jenseits Photonik das mit vielen physikalischen Systemen gekoppelt werden kann, um die Bereiche mechanische Sensorik, topologische Energieübertragung und nicht-reziproke Dynamik weiter zu erforschen.

In einer neuen Studie, die jetzt in verfügbar ist Wissenschaftliche Fortschritte, Ning Wu und ein Team von Wissenschaftlern der Elektrotechnik, Wissenschaft und Technologie in China entwickelten mechanische Spitzenpunkte auf dem Chip mit einem optomechanischen Reißverschlusshohlraum aus Silizium. Während des Prozesses koppelten sie zwei nahezu entartete mechanische Atmungsmodi über einen einzigen kolokalisierten optischen Modus. Das Team passte die dissipativen und kohärenten Kopplungen zwischen den beiden mechanischen Oszillatoren an, um ein bestimmtes Merkmal außergewöhnlicher Punkte zu beobachten. Die Ergebnisse bieten eine grundlegende Plattform, um die Physik hinter den mechanischen Ausnahmepunkten auf Siliziumchips mit möglichen Anwendungen für hyperempfindliche Messungen zu untersuchen.

Nichthermitische Physik

Nicht-hermitische Systeme tauschen Energie mit der äußeren Umgebung ganz anders aus als konservative hermitische Systeme. Außergewöhnliche Punkte existieren innerhalb nicht-hermitescher Systeme und werden als spezielle degenerierte Punkte von Spektren beobachtet. Aufgrund ihrer exotischen Natur erwarten Forscher faszinierende physikalische Konzepte von dem Phänomen. In der Vergangenheit hatten optische Ausnahmepunkte quer ihr Potenzial gezeigt Optik und Mikrowellenkavitäten, photonische Kristallplatten Und vielschichtige plasmonische Strukturen.

Forscher haben auch experimentell kontraintuitive Phänomene beobachtet. Wenn beispielsweise eine kleine Störung spezifischer Stärke auf die außergewöhnlichen Punkte einwirkte, war die beobachtete spektrale Aufspaltung proportional zur interessierenden Stärke. Die außergewöhnlichen Punkte in anderen physikalischen Systemen können in ähnlicher Weise weiter untersucht werden.

Während dieser Arbeit demonstrierten Wu und Kollegen mechanische Besonderheiten auf dem Chip in einem optomechanischen Reißverschlusshohlraum in einer Umgebungsumgebung. Die Wissenschaftler koppelten zwei nahezu entartete mechanische Gigahertz-Atmungsmodi unter Verwendung eines singulären optischen Modus. Die Ergebnisse ebnen den Weg zur Durchführung hochempfindlicher Messungen mit mechanischen Ausnahmepunkten, die auf den Plattformen integriert sind, um letztendlich die Voraussetzungen für die Untersuchung der Physik zu schaffen, die solchen Phänomenen zugrunde liegt.

Mechanische Ausnahmepunkte

Mechanische Besonderheiten beruhen auf optomechanischer Multimode-Kopplung; Das Phänomen tritt als zwei unabhängige Pendel mit unterschiedlichen Schwingungen auf, die mit einem optischen Modus interagieren. Der optische Modus ermöglicht eine brückenartige Verbindung zwischen den beiden mechanischen Modi, um die Kopplungsstärke zwischen den beiden zu regulieren.

Basierend auf den Merkmalen eines optomechanischen Multimode-Kopplungsmodells schlugen und entwarfen die Forscher einen optomechanischen Reißverschluss-Hohlraum, der zwei identische Silizium-Nanostrahl-Hohlräume mit einem Spalt im Nanomaßstab zwischen ihnen enthält. Die Forscher erzeugten den Hohlraum auf einem Silizium-auf-Isolator-Wafer und verwendeten ein Pump-Probe-Schema, um die Verstimmung und die optische Dissipationsrate zu überwachen. Sie erregten den optischen ungeraden Modus, um die mechanischen Besonderheiten mit einem Ergebnis zu realisieren Lorentzsche Anpassung.

Die Entwicklung des Eigenwerts

Wu nd das Team analysierte das Entwicklung des Eigenwerts der mechanischen Moden durch Scannen des optischen Verstimmungsgradienten bei fester Laserleistung. Das Team bemerkte das Auftreten von Phonon-Lasern sowohl im Niederfrequenzmodus als auch im Hochfrequenzmodus zu unterschiedlichen Zeitpunkten als Beweis für die Kopplung zwischen den beiden mechanischen Oszillatoren. Als nächstes erhielten die Physiker die mechanischen Eigenwerte aus den mechanischen Spektren, um ihre Entwicklung zu beobachten; die experimentellen Daten stimmten mit den theoretischen Werten überein.

Basierend auf den Ergebnissen rekonstruierten die Forscher weiterhin die topologische Oberfläche der mechanischen Eigenwerte bei unterschiedlichen Laserleistungen und Verstimmungswerten, um sich als nächstes auf die Variation der Eigenwerte in der Nähe der außergewöhnlichen Punkte zu konzentrieren.

Ausblick

Auf diese Weise entwickelten Ning Wu und Kollegen einen experimentellen Aufbau und stellten einen größeren Unterschied der mechanischen Frequenz für eine verbesserte Frequenzteilung in der Nähe der außergewöhnlichen Punkte fest. Sie verwendeten einen blau verstimmten Laser, um die mechanische Linienbreite zu reduzieren, während sie ein Selbstreferenz-Erkennungsschema der Frequenzteilung auf dem Gerät beibehielten, um ein robustes System für zu ermöglichen mechanische Frequenzdriften. Das Gerät könnte daher hochempfindliche Sensoren in Kombination mit Antidämpfungsmodi und mechanischen Besonderheiten realisieren.

Die Ergebnisse bieten eine zuverlässige, integrierte Plattform zum umfassenden Studium und zur Integration Nichthermitische Physik. Die Wissenschaftler sehen vor, mit dem roten Detektionslaser die optomechanische Multimode-Kühlung und die nichtreziproke Dynamik der mechanischen Ausnahmepunkte zu untersuchen. Die neuen Forschungsergebnisse können auch dazu führen, beides zu verstehen Ausnahmepunkte höherer Ordnung Und Multimode-Dynamik im Phononenlaserregime auf der gleichen Plattform.

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