Observation visuelle des oscillations photoniques Floquet – Bloch

Récemment, l’exploration des oscillations de Bloch (BO) dans des systèmes quantiques à entraînement périodique, équivalents aux « systèmes Floquet », a attiré une attention considérable car leurs caractéristiques exotiques sont profondément distinctes de celles des systèmes statiques. Plus précisément, deux types d’oscillations de type Bloch ont été étudiées : les oscillations quasi-Bloch (QBO) et les oscillations super-Bloch (SBO).

Cependant, le lien inhérent entre ces BO existants dans les systèmes Floquet reste insaisissable et une théorie générale concernant les BO dans les systèmes Floquet doit être développée. De plus, en tant que clé pour élucider le mécanisme du transport sous-jacent, l’observation visuelle des BO dans les systèmes Floquet reste largement inexplorée dans les expériences.

Dans un papier publié dans Lumière : science et applicationsune équipe de scientifiques dirigée par le professeur Xuewen Shu de l’Université des sciences et technologies de Huazhong, en Chine, et le professeur Xiankai Sun de l’Université chinoise de Hong Kong, dans la RAS de Hong Kong, en Chine, a généralisé les oscillations de Bloch aux réseaux photoniques de Floquet.

Cela a conduit aux «oscillations photoniques de Floquet – Bloch (FBO)», qui font référence à des oscillations photoniques de Bloch redimensionnées avec une période de multiple le plus petit commun étendu de la période de modulation et de la période d’oscillation de Bloch. Les FBO photoniques se produisent pour une modulation de Floquet arbitraire lorsque le rapport rationnel de la période de modulation de Floquet à la période d’oscillation de Bloch n’est pas entier. Dans ce cadre, les QBO et SBO conventionnels peuvent désormais être unifiés et traités comme deux cas particuliers de FBO.

En utilisant la microscopie à fluorescence à guide d’ondes, ils ont directement visualisé la respiration et les mouvements oscillatoires des FBO photoniques dans des réseaux de guides d’ondes écrits au laser femtoseconde. De manière significative, ils ont étudié expérimentalement deux propriétés exotiques des FBO photoniques, à savoir le spectre fractal et le tunnel de Floquet fractionné.

Forts de cette idée, ils ont suggéré que les FBO photoniques constituent un phénomène de transport unique en soi, en plus d’être une généralisation des BO existants dans les systèmes Floquet.

Pour visualiser les oscillations de Bloch dans un réseau photonique de Floquet, ils ont considéré un réseau de guides d’ondes optiques à courbure circulaire avec une modulation périodique.

L’évolution spatiale de la lumière de faible puissance dans le réseau proposé est analogue à l’évolution temporelle des électrons n’interagissant pas dans un potentiel périodique soumis à un champ électrique. La coordonnée de propagation z fait office de « temps » et la courbure des guides d’ondes est perçue comme une force de champ électrique efficace agissant sur les ondes lumineuses. La trajectoire de flexion circulaire introduit une force de champ électrique constante responsable des BO.

La trajectoire de flexion périodique introduit une force de champ électrique périodique, qui sert de modulation de Floquet. Par conséquent, le réseau proposé peut prendre en charge une réalisation expérimentale des oscillations de Bloch dans un réseau photonique de Floquet. Dans les expériences, ils ont mis en œuvre une excitation de la lumière visible par un laser He-Ne (633 nm) et capturé des signaux fluorescents (650 nm) émis par les guides d’ondes.

Le signal fluorescent vu de dessus enregistre les détails complexes de l’évolution du continuum, ce qui permet une analyse quantitative précise. Pour les excitations à site unique et à large faisceau, les observations visuelles de BO dans les réseaux photoniques de Floquet et les analyses quantitatives correspondantes présentent un excellent accord avec les résultats simulés respectifs.

Les oscillations photoniques Floquet – Bloch sont essentiellement un phénomène cohérent qui peut facilement être étendu à divers systèmes physiques tels que les atomes ultrafroids, les réseaux de fréquences synthétiques et les marches quantiques. L’observation visuelle des FBO photoniques est essentielle à la compréhension du mécanisme de transport sous-jacent, qui a un impact significatif à la fois sur la recherche fondamentale et sur les applications pratiques.

Pour la recherche fondamentale, la simple visualisation du phénomène et le contrôle élevé de la structure fabriquée permettent une exploration plus approfondie d’une branche de phénomènes fondamentaux impliquant les FBO, tels que l’interaction entre les FBO et les réseaux binaires, les réseaux non hermitiens et la non-linéarité optique.

Pour des applications pratiques, la manipulation démontrée des ondes optiques peut être mise en œuvre dans divers systèmes d’ondes et peut offrir de nouvelles perspectives sur de vastes applications en matière de manipulation d’ondes, de traitement du signal, de conversion de fréquence à haut rendement et de mesure de précision.