Sodobne tehnologije se vedno bolj zanašajo na svetlobne vire, ki jih je mogoče po potrebi preoblikovati. Pomislite na mikrolaserje, ki lahko hitro preklapljajo med različnimi stanji delovanja-podobno kot avtomobil, ki prestavlja prestave-, tako da lahko optični čip usmerja signale, izvaja izračune ali se prilagaja spreminjajočim se razmeram v realnem času. Preklop mikrolaserja ni gladek, lagoden proces, ampak je lahko nenaden in hiter. Na splošno skoraj identična "kandidata" za laserska stanja tekmujejo med seboj v mikrovotlini in laser lahko nenadoma preskoči iz enega stanja v drugega, ko se prilagodijo zunanji pogoji.
To postavlja praktično vprašanje: kako hitro je načeloma lahko takšno preklop? Za fizike postavlja globlje vprašanje: ali preklop sledi univerzalnemu pravilu, tako kot drugi fazni prehodi v naravi?
Ekipa na Univerzi v Pekingu je zdaj zagotovila jasno sliko izjemno{0}}kakovostnega laserja z mikrovotlinami-čas, ki ga laser potrebuje za dokončanje preklopa stanja, sledi izjemno preprostemu pravilu moči-. Ko krmilni gumb premikate hitreje, postane stikalo hitrejše-vendar ne poljubno. Namesto tega se preklopni čas zmanjša s kvadratnim korenom hitrosti pomika, kar ustreza robustnemu eksponentu blizu polovice. Ta rezultat dejansko določa omejitev hitrosti, kako hitro lahko takšni mikrolaserji "menjajo prestave". Ugotovitve so objavljene vPhysical Review Letters.
Kako upravljati lasersko stikalo?
V votlini z ultravisokim-Q fotoni krožijo več milijonov krat, preden uhajajo ven, kar močno izboljša interakcije svetlobe in snovi in omogoča nizko{1}}pražno lasersko sevanje. Do zdaj je večina študij lahko ugotovila, v katerem stanju je laser končal, vendar je bilo veliko težje zajeti sam proces preklopa-kratek prehod, ko laser zapusti eno stanje in se usede v drugo. Ta prehod se lahko odvija v nanosekundnih časovnih okvirih in se zgodi v odprtem sistemu, ki se nenehno poganja in izgublja energijo, kjer imata hrup in disipacija osrednjo vlogo.
Da bi to rešili, je ekipa izdelala mikro-lasersko platformo, ki jo je mogoče nastaviti na čist in programabilen način. Laser je ustvarjen v ultravisoki-Q kremenčevi mikrosferi-premera le desetine mikrometrov-kjer se lahko valovi v smeri urinega kazalca in nasprotni smeri urinega kazalca povežejo in tvorijo dve konkurenčni stanji stoječega-vala (dva »supermoda«) z nasprotnimi simetrijami.
Ključna ideja je bila dodati povratno zanko, ki ponovno vbrizga majhen del laserske svetlobe nazaj v votlino. Z nadzorovanjem faze te ponovno vbrizgane svetlobe bi lahko raziskovalci povzročili, da motnje okrepijo ali oslabijo specifične supermode. Dejansko jim ta fazni nadzor omogoča uravnavanje izgubnega ravnotežja med dvema tekmujočima stanjema laserja-kot prilagajanje nihalke-tako da je mogoče sistem premakniti čez kritično točko, kjer ima eno stanje prednost pred drugim. To je izrazito "ne-hermitska" oblika nadzora: namesto da le premika resonančne frekvence, neposredno preoblikuje razmerje med pridobivanjem in izgubo, ki določa, katero stanje zmaga.
Snemanje preklopa v realnem času
Upravljanje stikala je le polovica zgodbe,-snemanje je druga polovica. Ekipa je uporabila metodo-radiofrekvenčnega (RF) utripa-note: mešali so laserski izhod s stabilno referenco in sledili nastalemu RF signalu skozi čas. To pretvori ultra hitre optične spremembe v merljive električne signale, kar raziskovalcem omogoča, da rekonstruirajo, kako se stanje laserja razvija med preklopom s časovno ločljivostjo pod 10 nanosekund.
Preprosto pravilo: skaliranje moči
Ko je prehod viden, postane možen naraven eksperiment: večkrat ponovite preklopni protokol, vendar premikajte kontrolni gumb z različnimi hitrostmi. Ekipa je nato iz vsakega preklopnega dogodka izluščila dobro-definiran prehodni čas. Rezultat je bil osupljiv: v širokem razponu hitrosti pomika prehodni čas sledi robustnemu zakonu moči. Hitrejše pometanje vodi do hitrejšega preklapljanja, vendar se izboljšanje upočasni na predvidljiv način.
Kvantitativno se preklopni čas meri približno kot inverzni kvadratni koren hitrosti premikanja, kar ustreza eksponentu blizu 0,5. Enako vedenje se pojavlja tudi v študijah laserskih mrež s sklopljeno-votlino, kar nakazuje, da pravilo ni krhka značilnost ene naprave, temveč odraža širši princip neravnovesnega preklapljanja v gnanih, disipativnih fotonskih sistemih.
"Univerzalni zakoni skaliranja so dragoceni, ker dajejo inženirjem in znanstvenikom napovedni kompas," je dejal prof. Xiao, ustrezni avtor tega raziskovalnega dela. "Namesto prilagajanja naprav s poskusi in napakami lahko uporabimo pravilo skaliranja, da predvidimo, kako spreminjanje hitrosti nadzora vpliva na odzivni čas-in da razumemo, kje se pojavljajo padajoči donosi."
Za aplikacije je ta ugotovitev lahko navdih za rekonfigurabilne mikrolaserje, ki morajo hitro preklapljati delovna stanja za fotoniko na-čipu, in tudi sklopljena laserska omrežja, predlagana za optimizacijo in analogno računalništvo, kjer mora veliko vozlišč preklopiti zanesljivo in hitro. Za temeljno znanost rezultat zagotavlja redko, čisto eksperimentalno merilo uspešnosti za neravnovesno kritično dinamiko v odprtem, ne-hermitskem okolju-prizorišču, kjer je treba ponovno razmisliti in preizkusiti klasične ideje o faznih prehodih.
