Công nghệ hiện đại ngày càng dựa vào các nguồn sáng có thể được cấu hình lại theo yêu cầu. Hãy nghĩ đến vi tia laser có thể nhanh chóng chuyển đổi giữa các trạng thái hoạt động khác nhau-giống như ô tô chuyển số-để chip quang có thể định tuyến tín hiệu, thực hiện tính toán hoặc thích ứng với các điều kiện thay đổi trong thời gian thực. Quá trình chuyển đổi microlaser không phải là một quá trình suôn sẻ, nhàn nhã mà có thể diễn ra đột ngột và nhanh chóng. Nói chung, các trạng thái phát laser “ứng cử viên” gần như giống hệt nhau cạnh tranh với nhau trong một khoang vi mô và tia laser có thể đột ngột chuyển từ trạng thái này sang trạng thái khác khi các điều kiện bên ngoài được điều chỉnh.
Điều này đặt ra một câu hỏi thực tế: Về nguyên tắc, một công tắc như vậy có thể nhanh đến mức nào? Đối với các nhà vật lý, nó đưa ra một vấn đề sâu sắc hơn: Liệu sự chuyển đổi có tuân theo một quy luật phổ quát, giống như các chuyển pha khác trong tự nhiên không?
Một nhóm tại Đại học Bắc Kinh hiện đã cung cấp một bức tranh rõ ràng về một-laser vi khoang chất lượng cực cao-thời gian mà tia laser cần để hoàn thành việc chuyển đổi trạng thái tuân theo một quy tắc định luật lũy thừa-đơn giản đến đáng kinh ngạc. Khi núm điều khiển được quét nhanh hơn, công tắc sẽ nhanh hơn-nhưng không tùy tiện. Thay vào đó, thời gian chuyển đổi giảm theo căn bậc hai của tốc độ quét, tương ứng với số mũ mạnh gần bằng một nửa. Kết quả này đặt ra giới hạn tốc độ một cách hiệu quả cho tốc độ mà các microlaser như vậy có thể “chuyển số”. Những phát hiện được công bố trongThư đánh giá thể chất.
Làm thế nào để điều khiển công tắc laser?
Trong khoang Q{0}}siêu cao, các photon luân chuyển hàng triệu lần trước khi thoát ra ngoài, điều này giúp tăng cường đáng kể tương tác ánh sáng-vật chất và cho phép phát laser ở ngưỡng-thấp. Cho đến nay, hầu hết các nghiên cứu đều có thể cho biết tia laser đã chuyển sang trạng thái nào, nhưng việc nắm bắt chính quá trình chuyển đổi-thời gian ngắn ngủi khi tia laser rời khỏi trạng thái này và chuyển sang trạng thái khác khó hơn nhiều. Sự nhất thời đó có thể diễn ra trong khoảng thời gian nano giây và nó xảy ra trong một hệ thống mở liên tục bị điều khiển và mất năng lượng, trong đó tiếng ồn và sự tiêu tán đóng vai trò trung tâm.
Để giải quyết vấn đề này, nhóm đã xây dựng một-nền tảng laser vi mô có thể được điều chỉnh một cách rõ ràng và có thể lập trình được. Tia laser được tạo ra trong kính hiển vi silica-Q siêu cao-chỉ có đường kính hàng chục micromet-trong đó các sóng theo chiều kim đồng hồ và ngược chiều kim đồng hồ có thể kết hợp và tạo thành hai trạng thái sóng đứng-cạnh tranh nhau (hai "siêu chế độ") có sự đối xứng đối lập nhau.
Ý tưởng chính là thêm một vòng phản hồi để đưa một phần nhỏ ánh sáng laser trở lại khoang. Bằng cách kiểm soát pha của ánh sáng được tái tạo này, các nhà nghiên cứu có thể tạo ra sự can thiệp để tăng cường hoặc làm suy yếu các siêu chế độ cụ thể. Trên thực tế, điều khiển pha này cho phép họ điều chỉnh sự cân bằng tổn thất giữa hai trạng thái phát laser cạnh tranh-như điều chỉnh bập bênh-để hệ thống có thể được quét qua điểm tới hạn nơi trạng thái này trở nên được ưa chuộng hơn trạng thái kia. Đây rõ ràng là một hình thức kiểm soát "không{5}}Hermitian": thay vì chỉ thay đổi tần số cộng hưởng, nó trực tiếp định hình lại bối cảnh được-thua chi phối trạng thái nào thắng.
Quay phim công tắc trong thời gian thực
Kiểm soát công tắc chỉ là một nửa câu chuyện-ghi lại nó là nửa còn lại. Nhóm đã sử dụng phương pháp ghi chú-tần số (RF) vô tuyến-: Họ kết hợp đầu ra laser với tham chiếu ổn định và theo dõi tín hiệu RF thu được theo thời gian. Điều này chuyển đổi những thay đổi quang học cực nhanh thành tín hiệu điện có thể đo được, cho phép các nhà nghiên cứu tái tạo lại trạng thái laser phát triển như thế nào trong quá trình chuyển đổi với độ phân giải thời gian dưới 10 nano giây.
Quy tắc đơn giản: Chia tỷ lệ sức mạnh
Sau khi hiển thị thoáng qua, bạn có thể thực hiện một thử nghiệm tự nhiên: lặp lại giao thức chuyển đổi nhiều lần nhưng quét núm điều khiển ở các tốc độ khác nhau. Sau đó, nhóm đã trích xuất-thời gian chuyển tiếp được xác định rõ ràng từ mỗi sự kiện chuyển đổi. Kết quả thật đáng ngạc nhiên: trên một phạm vi rộng của tốc độ quét, thời gian chuyển tiếp tuân theo định luật lũy thừa mạnh mẽ. Quét nhanh hơn dẫn đến chuyển đổi nhanh hơn, nhưng quá trình cải thiện sẽ chậm lại theo cách có thể dự đoán được.
Về mặt định lượng, thời gian chuyển đổi xấp xỉ bằng căn bậc hai nghịch đảo của tốc độ quét, tương ứng với số mũ gần bằng 0,5. Hành vi tương tự cũng xuất hiện trong các nghiên cứu về-mạng laser khoang kết hợp, cho thấy quy tắc này không phải là một tính năng mỏng manh của một thiết bị mà thay vào đó phản ánh một nguyên tắc rộng hơn về chuyển đổi không cân bằng trong các hệ thống quang tử tiêu tán, được điều khiển.
Giáo sư Xiao, tác giả tương ứng của công trình nghiên cứu này cho biết: “Định luật tỷ lệ phổ quát rất có giá trị vì chúng cung cấp cho các kỹ sư và nhà khoa học một la bàn dự đoán”. "Thay vì điều chỉnh thiết bị bằng cách thử và sai, người ta có thể sử dụng quy tắc chia tỷ lệ để dự đoán mức độ ảnh hưởng của việc thay đổi tốc độ điều khiển đến thời gian phản hồi-và để hiểu hiệu suất giảm dần được đặt ở đâu."
Đối với các ứng dụng, phát hiện này có thể truyền cảm hứng cho các vi laser có thể cấu hình lại phải nhanh chóng chuyển đổi trạng thái hoạt động cho quang tử trên{0}}chip cũng như các mạng laser kết hợp được đề xuất để tối ưu hóa và tính toán tương tự, trong đó nhiều nút phải chuyển đổi nhanh chóng và đáng tin cậy. Đối với khoa học cơ bản, kết quả này cung cấp một tiêu chuẩn thực nghiệm rõ ràng, hiếm hoi cho động lực học tới hạn không cân bằng trong một môi trường mở, không có{2}}Hermitian-một đấu trường nơi các ý tưởng cổ điển về chuyển pha phải được xem xét lại và thử nghiệm.
