Spectroscopie de structure de bande multidimensionnelle dans la dimension de fréquence synthétique photonique

Dans la dimension synthétique photonique, le couplage des degrés de liberté internes des photons, tels que la fréquence, le mode spatial et le moment cinétique orbital, génère des dimensions supplémentaires en plus de l’espace réel. Cette approche est un outil puissant pour étudier de nouveaux phénomènes physiques exclusifs aux systèmes de haute dimension, en utilisant des plateformes de basse dimension qui offrent des avantages en termes d’ingénierie et de contrôle.

De nombreux aspects non triviaux de la physique de haute dimension peuvent être révélés par des mesures de structure de bande. Dans la dimension de fréquence synthétique photonique, les mesures de structure de bande existantes sont limitées à des zones de Brillouin unidimensionnelles ou à des sous-ensembles unidimensionnels de zones de Brillouin bidimensionnelles ou tridimensionnelles.

Par conséquent, il existe un besoin pour une technique qui permette des mesures de structure de bande sur toute la zone de Brillouin multidimensionnelle. Bénéficiant d’une telle technique, les chercheurs peuvent avoir une compréhension plus complète de la physique sous-jacente et avoir un aperçu des comportements uniques qui émergent dans les régimes de haute dimension.

Dans une publication récente dans Lumière : science et applications, une équipe dirigée par le professeur Shanhui Fan de l’Université de Stanford ont rapporté une telle spectroscopie de structure de bande multidimensionnelle dans la dimension de fréquence synthétique photonique. Les chercheurs ont utilisé un résonateur photonique sous modulation dynamique comme plate-forme expérimentale. En utilisant plusieurs fréquences de modulation, un réseau multidimensionnel dans la dimension de fréquence synthétique a été créé avec ce résonateur unique.

Pour mesurer la structure de bande de ce réseau, le résonateur a été excité par un laser à fréquence accordable, et le signal de transmission dépendant du temps a été collecté par un photodétecteur. Au fur et à mesure que la fréquence laser d’entrée était balayée, les énergies de bande étaient extraites des caractéristiques de résonance dans le spectre de transmission. De manière significative, en réglant les phases relatives entre différentes fréquences de modulation, les chercheurs ont pu résoudre la structure de bande du réseau sur l’ensemble de la zone de Brillouin multidimensionnelle.

À l’aide de cette spectroscopie de structure de bande multidimensionnelle, les chercheurs ont mesuré la structure de bande bidimensionnelle d’un système non hermitien et ont dévoilé certaines propriétés liées à la topologie des valeurs propres non triviales. Ces propriétés sont particulièrement intrigantes car elles sont associées à l’effet de peau non-hermitien, un phénomène exotique où tous les états propres d’un système fini non-hermitien sont situés sexponentiellement sur les frontières.

La démonstration de ces propriétés nous rapproche un peu plus de l’exploitation du potentiel des systèmes non hermitiens.

Les découvertes des chercheurs soulignent l’importance de la spectroscopie de structure de bande multidimensionnelle en tant qu’outil pour explorer les mystères des systèmes de haute dimension, entraînant finalement des progrès dans le domaine de la physique et de l’ingénierie.

Les chercheurs ont commenté : « L’essence de la dimension synthétique réside dans le potentiel d’élargir notre boîte à outils en physique de haute dimension. Compte tenu de la richesse des informations physiques intégrées dans les structures de bande, nous pensons que la spectroscopie de structure de bande multidimensionnelle représente un élément crucial. étape importante dans cette direction. Il facilitera notre compréhension et notre manipulation des systèmes de grande dimension, et fournira potentiellement des inspirations pour des dispositifs optiques aux fonctionnalités innovantes.

Les chercheurs ont également souligné la généralisabilité de leur approche spectroscopique dans des systèmes plus complexes.