Replikationssymmetriebruch im 1D-Rayleigh-Streusystem: Theorie und Validierungen

Sowohl in der Natur als auch in der menschlichen Gesellschaft gibt es häufig komplexe Systeme wie Klimasysteme, ökologische Systeme und Netzwerksysteme. Aufgrund der Beteiligung zahlreicher interagierender Elemente können komplexe Systeme in mehreren verschiedenen Zuständen verbleiben und ihr Gesamtverhalten weist im Allgemeinen Zufälligkeit und hohe Unordnung auf.

Die komplexen Wechselwirkungen zwischen Faktoren wie Sonneneinstrahlung, Gelände und Meeresströmungen führen dazu, dass Klimasysteme verschiedene Zustände aufweisen, beispielsweise sonnig, bewölkt und regnerisch. Die dynamischen Veränderungen und gegenseitigen Einflüsse dieser Faktoren machen das Verhalten des Klimas höchst unsicher und schwer genau vorherzusagen.

So können beispielsweise Entstehung und Verlauf eines Sturms von zahlreichen Faktoren wie der Meerestemperatur, der Windgeschwindigkeit und dem Luftdruck beeinflusst werden, was zu erheblicher Zufälligkeit und Unvorhersehbarkeit führt.

Die Entdeckung der zugrunde liegenden Muster hinter dem Verhalten komplexer Systeme ist ein Forschungsschwerpunkt für Wissenschaftler weltweit. Magnetische Spinglassysteme wurden in den frühen 1970er Jahren entdeckt und wurden zum Paradigma einiger komplexer Systeme. Sie bieten einen wichtigen theoretischen Rahmen sowie experimentelle und numerische Simulationsplattformen zur Beschreibung und Vorhersage des Verhaltens komplexer Systeme.

Giorgio Parisi, der das Konzept der Replikationssymmetriebrechung in magnetischen Spinglassystemen einführte, entdeckte das Zusammenspiel von Unordnung und Fluktuationen in physikalischen Systemen von der atomaren bis zur planetaren Ebene. Dadurch deckte er verborgene Symmetrien in komplexen Systemen auf und erhielt dafür den Nobelpreis für Physik 2021.

Vor diesem Hintergrund weisen Zufallslaser aufgrund ihrer einzigartigen Rückkopplungs- und Verstärkungsmechanismen eine ähnlich komplexe Dynamik auf wie Spinglassysteme mit einer großen Anzahl von Spins und werden so zu einer Schlüsselkomponente bei der Erforschung der Spinglastheorie.

Forscher haben in mehreren Zufallslasern optische Phasenübergangsphänomene beobachtet. Die aktuelle Erforschung photonischer Phasenübergänge mit Zufallslasern hat große Aufmerksamkeit erregt.

In einem neuen Papier veröffentlicht In Licht: Wissenschaft und Anwendungenein Team von Wissenschaftlern unter der Leitung von Prof. Zinan Wang von der University of Electronic Science and Technology of China, Prof. Anderson SL Gomes und Prof. Ernesto P. Raposo von der Universidade Federal de Pernambuco, und Kollegen haben die zugrunde liegenden Mechanismen photonischer Phasenübergänge in eindimensionalen Rayleigh-Streusystemen untersucht, indem sie Modelle der Rayleigh-Streu-Phasenvariation erstellt haben.

Es gelang ihnen, umfassende Verbindungen zwischen numerischen Untersuchungen und experimentellen Phänomenen herzustellen und so die einzigartigen Gesetze aufzudecken, die den photonischen Phasenübergängen in solchen Systemen zugrunde liegen.

Die Forscher bieten eine theoretische Vorhersage von Photonenphasenübergängen an. Sie gehen davon aus, dass die Ausgangseigenschaften solcher Zufallsfaserlaser stark von den Eigenschaften der Rayleigh-Streuung innerhalb der Faser abhängen.

Durch eine präzise Analyse der Phasenschwankungen der Rayleigh-Streuung in Fasern unter Verwendung einer phasensensitiven optischen Zeitbereichsreflektometrie (Phi-OTDR) mit proprietären Technologien wird ein Modell zur Phasenvariation der Rayleigh-Streuung für das Phänomen der Replikationssymmetriebrechung in zufälligen Faserlasern mit Rayleigh-Streumechanismus vorgeschlagen.

Es werden theoretische Vorhersagen der Randparameter photonischer Phasenübergänge in zufälligen Faserlasern gemacht, wodurch neue Wege zum Verständnis der intrinsischen Mechanismen photonischer Phasenübergänge eröffnet werden.

Die Forscher heben auch den allgegenwärtigen Mechanismus photonischer Phasenübergänge hervor. Sie entdeckten, dass die photonische Phasenvariation in einem zufälligen Faserlaser mit einem Rayleigh-Streumechanismus analog zur Rolle von Temperatur und Unordnung bei den Wechselwirkungen zwischen Spins in der magnetischen Spinglasphase bleibt.

Wenn die Phasenschwankungen der Streuelemente stabil bleiben, kommt es zu photonischen Phasenübergängen, wenn sich die Energielandschaft des Systems ändert. Durch externe Faktoren verursachte Phasenschwankungen der Streuelemente stören jedoch die Wechselwirkungen zwischen verschiedenen Modi und verhindern so photonische Phasenübergänge.

Diese Arbeit ist ein wichtiger Schritt zur Aufklärung der universellen Phasenübergangsmechanismen in verschiedenen komplexen Systemen.

Auf Grundlage des vorgeschlagenen Modells und der hochpräzisen Spektraldetektion wurde in dieser Arbeit ein einzigartiges Phasenübergangsphänomen in einem zufälligen Faserlaser, das auf der Rayleigh-Streuung beruht – einer Modusasymmetrie – theoretisch vorhergesagt und experimentell beobachtet.

Diese Erkenntnis erweitert das derzeitige Verständnis photonischer Phasenübergänge und bietet eine neue Perspektive auf die intrinsischen Mechanismen komplexer Systeme.

Insbesondere durch die Untersuchung der inhärenten Verbindungen zwischen photonischen Phasenübergängen und der Entwicklung verschiedener Modi im Zufallsfaserlaser zeigt die Arbeit, dass verschiedene Modi unter dem Einfluss einzigartiger Rückkopplungs- und Verstärkungsmechanismen unterschiedliche Zustände nichtlinearer Wechselwirkungen aufweisen.

Modi, die auf kohärenter Rayleigh-Rückkopplung basieren (die sich als zufällig verteilte Spitzen im Spektrum manifestieren), erfahren starke nichtlineare Wechselwirkungen, die zu metastabilen Zuständen führen und dadurch einen Phasenübergang von der photonischen paramagnetischen zur Spinglas-Phase durchlaufen. Modi, die auf inkohärenter Rayleigh-Rückkopplung ohne nichtlineare Wechselwirkungen basieren, verbleiben dagegen in einem paramagnetischen Zustand.

In dieser Arbeit werden die einzigartigen zugrunde liegenden Prinzipien photonischer Phasenübergänge anhand von Theorie, Simulation und Experimenten umfassend untersucht. Dabei werden zahlreiche Beweise dafür geliefert, dass auf der Rayleigh-Streuung basierende Zufallsfaserlaser eine ideale Plattform für die Vorhersage, Beobachtung und Steuerung photonischer Phasenübergänge darstellen.

Mit Blick auf die Zukunft wird diese Leistung einen bedeutenden Referenzwert für die Forschung in den Bereichen Materialwissenschaften, neuronale Netzwerke, Quanteninformation und andere komplexe Systeme haben. Darüber hinaus wird sie die Anwendung von Faserlasern in kritischen Bereichen wie Hochleistungslasergeräten vorantreiben.