Nykytekniikat luottavat yhä enemmän valonlähteisiin, jotka voidaan konfiguroida uudelleen tarpeen mukaan. Ajattele mikrolasereita, jotka voivat vaihtaa nopeasti eri toimintatilojen välillä -kuten auto vaihtaa vaihteita-, jotta optinen siru voi reitittää signaaleja, suorittaa laskelmia tai mukautua muuttuviin olosuhteisiin reaaliajassa. Mikrolaservaihto ei ole sujuva, rauhallinen prosessi, mutta se voi olla äkillinen ja nopea. Yleensä lähes identtiset "ehdokkaat" laserin tilat kilpailevat keskenään mikroontelossa, ja laser voi äkillisesti hypätä tilasta toiseen, kun ulkoisia olosuhteita säädetään.
Tämä herättää käytännön kysymyksen: Kuinka nopea tällainen kytkin periaatteessa voi olla? Fyysikoille se herättää syvemmän kysymyksen: Noudattaako kytkentä yleismaailmallista sääntöä, kuten muutkin faasisiirtymät luonnossa?
Pekingin yliopiston tiimi on nyt antanut selkeän kuvan ultrakorkealaatuisesta-mikroontelolaseerista-aika, jonka laser tarvitsee suorittaakseen tilanvaihdon loppuun, noudattaa erittäin yksinkertaista teho-lakisääntöjä. Kun säätönuppia pyyhkäistään nopeammin, kytkimestä tulee nopeampi-mutta ei mielivaltaisesti. Sen sijaan kytkentäaika lyhenee pyyhkäisynopeuden neliöjuurella, mikä vastaa robustia eksponenttia, joka on lähellä puolta. Tämä tulos asettaa tehokkaasti nopeusrajoituksen sille, kuinka nopeasti tällaiset mikrolaserit voivat "vaihtaa vaihteita". Tulokset on julkaistu vPhysical Review Letters.
Kuinka ohjata laserkytkintä?
Ultrakorkeassa-Q-ontelossa fotonit kiertävät miljoonia kertoja ennen vuotamista, mikä parantaa huomattavasti valon ja aineen vuorovaikutusta ja mahdollistaa matalan-kynnyksen laseroinnin. Tähän asti useimmat tutkimukset pystyivät kertomaan, mihin tilaan laser päätyi, mutta itse vaihtoprosessia oli paljon vaikeampi siepata-lyhyt transientti, jossa laser poistuu tilasta ja asettuu toiseen. Tämä transientti voi avautua nanosekunnin aikaskaalalla, ja se tapahtuu avoimessa järjestelmässä, joka on jatkuvasti ajettu ja menettää energiaa, jossa melu ja hajoaminen ovat keskeisessä asemassa.
Tämän ratkaisemiseksi tiimi rakensi mikro{0}}laseralustan, joka voidaan virittää puhtaalla ja ohjelmoitavalla tavalla. Laser syntyy ultrakorkeassa-Q-piidioksidimikropallossa-vain kymmenien mikrometrejen halkaisijaltaan-jossa myötä- ja vastapäivään aallot voivat kytkeytyä toisiinsa ja muodostaa kaksi kilpailevaa seisovaa{5}}aaltotilaa (kaksi "supermoodia"), joilla on vastakkainen symmetria.
Keskeisenä ideana oli lisätä takaisinkytkentäsilmukka, joka ruiskuttaa pienen osan laservalosta takaisin onteloon. Säätämällä tämän uudelleen ruiskutetun valon vaihetta tutkijat voivat saada häiriöt joko vahvistamaan tai heikentämään tiettyjä supertiloja. Käytännössä tämän vaiheen ohjauksen avulla he voivat virittää kahden kilpailevan laserin tilan välistä häviötasapainoa -kuten keinuvan säätämisen-, jotta järjestelmä voidaan pyyhkiä kriittisen pisteen yli, jossa yksi tila tulee suosimaan toista. Tämä on selkeästi "ei--hermiittinen" hallinnan muoto: sen sijaan, että se muuttaisi vain resonanssitaajuuksia, se muokkaa suoraan voitto-häviö-maisemaa, joka hallitsee sitä, mikä tila voittaa.
Kytkimen kuvaaminen reaaliajassa
Kytkimen ohjaaminen on vain puoli tarinaa{0}}tallennus on toinen puoli. Tiimi käytti radiotaajuuden (RF) lyönti Tämä muuntaa ultranopeat optiset muutokset mitattavissa oleviksi sähköisiksi signaaleiksi, jolloin tutkijat voivat rekonstruoida, miten laserin tila kehittyy kytkimen aikana alle 10 nanosekunnin aikaresoluutiolla.
Yksinkertainen sääntö: tehon skaalaus
Kun transientti on näkyvissä, luonnollinen kokeilu on mahdollista: toista kytkentäprotokolla monta kertaa, mutta pyyhkäise säätönuppia eri nopeuksilla. Tämän jälkeen tiimi poimi hyvin-määritellyn siirtymäajan jokaisesta vaihtotapahtumasta. Tulos oli silmiinpistävä: laajalla pyyhkäisynopeuksien alueella siirtymäaika noudattaa vankkaa teholakia. Nopeammat pyyhkäiset johtavat nopeampaan vaihtoon, mutta parannus hidastuu ennustettavalla tavalla.
Kvantitatiivisesti kytkentäaika skaalautuu suunnilleen pyyhkäisynopeuden käänteiseksi neliöjuureksi, joka vastaa eksponenttia, joka on lähellä 0,5. Sama käyttäytyminen näkyy myös tutkimuksissa kytketyistä-ontelolaserverkkoista, mikä viittaa siihen, että sääntö ei ole yhden laitteen herkkä ominaisuus, vaan heijastaa laajempaa epätasapainon vaihtamisen periaatetta ohjatuissa, dissipatiivisissa fotonijärjestelmissä.
"Universaalit skaalauslait ovat arvokkaita, koska ne antavat insinööreille ja tiedemiehille ennakoivan kompassin", sanoi professori Xiao, tämän tutkimustyön vastaava kirjoittaja. "Laitteiden virittämisen sijaan yrityksen ja erehdyksen avulla voidaan käyttää skaalaussääntöä ennakoimaan, kuinka ohjausnopeuden muuttaminen vaikuttaa vasteaikaan-ja ymmärtää, missä laskeva tuotto vaikuttaa."
Sovelluksissa tämä havainto voi inspiroida uudelleenkonfiguroitavia mikrolasereita, joiden on vaihdettava nopeasti toimintatilaa on-sirufotoniikassa, sekä optimointia ja analogista laskentaa varten ehdotettuja kytkettyjä laserverkkoja, joissa monien solmujen on vaihdettava luotettavasti ja nopeasti. Perustieteen kannalta tulos tarjoaa harvinaisen puhtaan kokeellisen vertailukohdan epätasapainoiselle kriittiselle dynamiikalle avoimessa, ei--hermiittisessä ympäristössä-areenalla, jossa klassisia ajatuksia vaihesiirtymistä on pohdittava ja testattava.
