การเขียนโดยตรงของ Femtosecond Laser ของ Bloch Oscillations ใน Optical Floquet Lattices

เมื่อวันที่ 28 เมษายน 2024 ทีมงานของ Prof. Shu Xuewen จาก Huazhong University of Science and Technology (HUST) ร่วมกับทีมของ Prof. Sun Xiankai จาก Chinese University of Hong Kong (CUHK) ได้เผยแพร่ความคืบหน้าการวิจัยล่าสุด การสังเกตด้วยสายตาของโทนิค Floquet -การสั่นของโบลช
การแกว่งของโบลชเป็นปรากฏการณ์การขนส่งควอนตัมที่สอดคล้องกันแบบคลาสสิกซึ่งแสดงออกมาเป็นการแกว่งเป็นระยะของอนุภาคควอนตัมในสนามศักย์เป็นคาบภายใต้การกระทำของแรงคงที่ที่ใช้ เนื่องจากผลกระทบทางกายภาพขั้นพื้นฐาน จึงได้มีการค้นพบและตรวจสอบการสั่นของโบลชในระบบต่างๆ เช่น ซูเปอร์แลตติซของเซมิคอนดักเตอร์ อะตอมอัลตราโคลด์ อาร์เรย์ท่อนำคลื่นควบคู่ และโครงตาข่ายโฟโตนิกมิติสังเคราะห์ เป็นต้น ผลการวิจัยที่เกี่ยวข้องไม่เพียงแต่ส่งเสริมการพัฒนาปัจจัยพื้นฐานเท่านั้น การวิจัยทางฟิสิกส์ แต่ยังให้แนวคิดและวิธีการใหม่ ๆ สำหรับการปรับเปลี่ยนวิวัฒนาการของฟังก์ชันคลื่นอย่างยืดหยุ่น อย่างไรก็ตาม การศึกษาเกี่ยวกับปรากฏการณ์การสั่นของโบลชนั้นมุ่งเน้นไปที่ระบบคงที่เป็นหลัก และปรากฏการณ์การสั่นของโบลชในระบบที่ขับเคลื่อนเป็นระยะ (โฟลเกต์) จำเป็นต้องมีการสำรวจในเชิงลึกเพิ่มเติม

รูปที่ 1 (a) แผนผังของอาร์เรย์ท่อนำคลื่นที่เขียนด้วยเลเซอร์โดยตรงของ femtosecond (ข) รูปถ่ายของภาพตัดขวางของตัวอย่างที่เตรียมไว้ในการทดลอง (c) ภาพถ่ายมุมมองด้านบนของตัวอย่างที่เตรียมไว้ในการทดลอง
เพื่อแก้ไขปัญหานี้ การศึกษานี้ตรวจสอบปรากฏการณ์การสั่นของโบลชในระบบFroché โดยใช้อาร์เรย์ท่อนำคลื่นแบบโค้งงอหนึ่งมิติที่เตรียมโดยการเขียนโดยตรงด้วยเลเซอร์เฟมโตวินาที เสนอทฤษฎีทั่วไปของปรากฏการณ์การสั่นของโบลชในโครงตาข่ายFrochéแบบออปติคอล และแสดงภาพและการทดลอง สังเกตปรากฏการณ์การแกว่งของแสงโฟรเช-โบลช ดังแสดงในรูปที่ 1 วิถีการโค้งงอของท่อนำคลื่นในอาเรย์นั้นเป็นวิถีแบบผสมที่ประกอบด้วยการโค้งงอแบบวงกลมซ้อนทับกับการดัดเป็นระยะ ภายใต้การประมาณแกนเย็น สมการความผันผวนที่อธิบายวิวัฒนาการของการขนส่งแสงในอาร์เรย์ท่อนำคลื่นนี้เทียบเท่าทางคณิตศาสตร์กับสมการชโรดิงเงอร์ที่อธิบายวิวัฒนาการตามเวลาของอิเล็กตรอนในสนามศักย์เป็นคาบภายใต้การกระทำของสนามไฟฟ้าที่ใช้ และ ทิศทางของการเคลื่อนตัวของแสงในแผงท่อนำคลื่นเทียบเท่ากับระยะเวลาในสมการชโรดิงเงอร์ ความโค้งของวิถีการโค้งงอของท่อนำคลื่นถือเป็นแรงสนามไฟฟ้าที่เท่ากันซึ่งกระทำต่อคลื่นแสงที่ส่ง โดยที่วิถีการโค้งงอแบบวงกลมจะสร้างแรงสนามไฟฟ้าคงที่เท่ากันซึ่งนำไปสู่การแกว่งของโบลช และวิถีการโค้งงอตามคาบจะสร้างสนามไฟฟ้าที่มีคาบเท่ากัน บังคับให้แนะนำการปรับ Frohnke ดังนั้นอาร์เรย์ท่อนำคลื่นช่วยให้สามารถสังเกตปรากฏการณ์การแกว่งของโบลชในโครงตาข่าย Floquet แบบออปติคัลได้

รูปที่ 2 (a)-(d) การสังเกตการทดลองที่การกระตุ้นท่อนำคลื่นเดี่ยว (e)-(h) การสังเกตการทดลองที่การกระตุ้นด้วยลำแสงกว้าง
ในการศึกษานี้ วิวัฒนาการของการส่งผ่านคลื่นแสงอย่างต่อเนื่องในอาร์เรย์ท่อนำคลื่นถูกมองเห็นและสังเกตได้โดยใช้กล้องจุลทรรศน์ฟลูออเรสเซนซ์ของท่อนำคลื่น รูปที่ 2 แสดงโหมดการหายใจและการสั่นของปรากฏการณ์การสั่นของโบลชในโครงตาข่าย Froquet แบบออปติคัลสำหรับอุบัติการณ์ของท่อนำคลื่นเดี่ยวและอุบัติการณ์ของลำแสงกว้าง ตามลำดับ เมื่อระยะเวลาการปรับ Floquet ไม่เท่ากับจำนวนเต็มทวีคูณใดๆ ของระยะเวลาการแกว่งของ Bloch การกระจายตัวของ Floquet จะเป็นค่าคงที่และเท่ากับศูนย์ และการสั่นแบบ Floquet-Bloch แบบออปติคัลด้วยระยะเวลาที่เป็นตัวคูณร่วมน้อยที่สุดของระยะเวลาการปรับ Floquet และ Bloch ระยะการสั่นเกิดขึ้น ในกรณีอื่นๆ การกระจายตัวของโฟลเกต์จะไม่เท่ากับ 0 อีกต่อไป และการส่งผ่านแสงมักจะมีลักษณะเฉพาะด้วยการเลี้ยวเบนแบบกระจาย นอกจากนี้ นักวิจัยยังได้ตรวจสอบผลของพารามิเตอร์การปรับ Flokay ในทางทฤษฎีและเชิงทดลองต่อการแกว่งของ Flokay-Bloch แบบออปติคอล ซึ่งเผยให้เห็นลักษณะวิวัฒนาการที่เป็นเอกลักษณ์ของปรากฏการณ์ รวมถึงคุณสมบัติสเปกตรัมแฟร็กทัลที่เกี่ยวข้องกับระยะเวลาการปรับ Flokay และ Flokay ลำดับเศษส่วน คุณสมบัติการขุดอุโมงค์ที่เกี่ยวข้องกับแอมพลิจูดการมอดูเลต Flokay

รูปที่ 3 (a) คุณสมบัติสเปกตรัมแฟร็กทัลของการสั่นแบบออพติคอล Froquet-Bloch ( b ) คุณสมบัติการขุดอุโมงค์ Floquet-Bloch แบบเศษส่วนของการสั่นแบบ Floquet-Bloch แบบออปติคอล
การสังเกตการแกว่งของ Floquet-Bloch ด้วยสายตาเผยให้เห็นกลไกใหม่ของวิวัฒนาการฟังก์ชันคลื่น ซึ่งมีความสำคัญอย่างยิ่งในการวิจัยขั้นพื้นฐานและการใช้งานจริง ในแง่ของการวิจัยพื้นฐาน แบบจำลองทางทฤษฎีและแพลตฟอร์มการทดลองสนับสนุนการสำรวจเพิ่มเติมของปรากฏการณ์ใหม่ที่เกิดขึ้นจากการทำงานร่วมกันของการออกแบบและการมอดูเลตของการสั่นของ Frohike-Bloch ด้วยโครงแบบไบนารี โครงตาข่ายที่ไม่ใช่เออร์เมียน และความไม่เป็นเชิงเส้นเชิงแสง และในแง่ของการใช้งานจริง การสั่นแบบออพติคัล Frohike-Bloch นั้นเป็นปรากฏการณ์การขนส่งที่ต่อเนื่องกัน และจึงสามารถเป็นได้ ในการใช้งานจริง การสั่นแบบ Floquet-Bloch แบบออพติคอลนั้นเป็นปรากฏการณ์การขนส่งที่เชื่อมโยงกันเป็นหลัก และด้วยเหตุนี้จึงสามารถขยายไปสู่การวิจัยที่หลากหลาย แพลตฟอร์มต่างๆ เช่น ตาข่ายโดเมนความถี่สังเคราะห์ อะตอมเย็น ผลึกอวกาศ-เวลา และการเดินควอนตัม และคาดว่าจะนำไปใช้ในการแปลงความถี่ การวัดที่แม่นยำ และการจัดการการส่งผ่านคลื่นที่หลากหลาย