Moderne tehnologije sve se više oslanjaju na izvore svjetlosti koji se mogu rekonfigurirati na zahtjev. Zamislite mikrolasere koji se mogu brzo prebacivati između različitih radnih stanja-slično kao automobil koji mijenja brzine-tako da optički čip može usmjeravati signale, izvoditi proračune ili se prilagođavati promjenjivim uvjetima u stvarnom vremenu. Prebacivanje mikrolasera nije gladak, ležeran proces, već može biti iznenadan i brz. Općenito, gotovo identična stanja "kandidata" lasera međusobno se natječu u mikrošupljini, a laser može naglo skočiti iz jednog stanja u drugo kada se vanjski uvjeti prilagode.
Ovo postavlja praktično pitanje: Koliko brz takav prijelaz može biti u načelu? Za fizičare, postavlja dublje pitanje: slijedi li prebacivanje univerzalno pravilo, poput drugih faznih prijelaza u prirodi?
Tim sa Sveučilišta u Pekingu sada je pružio jasnu sliku ultra{0}}kvalitetnog lasera s mikrošupljinama-vrijeme koje je laseru potrebno za dovršetak promjene stanja slijedi izuzetno jednostavno pravilo-zakona snage. Kada se upravljačka tipka brže okreće, prekidač postaje brži-ali ne proizvoljno. Umjesto toga, vrijeme prebacivanja smanjuje se s kvadratnim korijenom brzine prelaska, što odgovara robusnom eksponentu blizu polovine. Ovaj rezultat učinkovito postavlja ograničenje brzine za to koliko brzo takvi mikrolaseri mogu "mijenjati brzine". Nalazi su objavljeni uPhysical Review Letters.
Kako kontrolirati laserski prekidač?
U ultravisokoj-Q šupljini, fotoni cirkuliraju mnogo milijuna puta prije nego što iscure, što uvelike poboljšava interakcije svjetlosti i materije i omogućuje nisko-prag laseriranja. Do sada je većina studija mogla odrediti u kojem je stanju laser završio, ali bilo je mnogo teže uhvatiti sam proces prebacivanja-kratku prijelaznu pojavu u kojoj laser napušta jedno stanje i prelazi u drugo. Ta prijelazna pojava može se odvijati u vremenskim razmacima od nanosekunde, a događa se u otvorenom sustavu koji se stalno pokreće i gubi energiju, gdje buka i disipacija igraju središnju ulogu.
Kako bi to riješio, tim je napravio mikro-lasersku platformu koja se može ugoditi na čist i programabilan način. Laser se generira u mikrosferi ultravisokog-Q silicijevog dioksida-samo desetke mikrometara u promjeru-gdje se valovi u smjeru kazaljke na satu i suprotno od njega mogu spojiti i formirati dva konkurentna stanja stojećih-valova (dva "supermoda") sa suprotnim simetrijama.
Ključna ideja bila je dodati povratnu petlju koja ponovno ubrizgava mali dio laserskog svjetla natrag u šupljinu. Kontroliranjem faze ove ponovno ubrizgane svjetlosti, istraživači bi mogli pojačati ili oslabiti smetnje određene supermodove. U stvari, ova im kontrola faze omogućuje podešavanje ravnoteže gubitaka između dva konkurentna stanja lasera-kao podešavanje klackalice-tako da se sustav može prebaciti preko kritične točke gdje jedno stanje postaje favorizirano u odnosu na drugo. Ovo je izrazito "ne-hermitski" oblik kontrole: umjesto samo pomicanja rezonantnih frekvencija, on izravno preoblikuje krajolik dobitka i gubitka koji upravlja kojim stanjem pobjeđuje.
Snimanje prekidača u stvarnom vremenu
Upravljanje prekidačem samo je pola priče-a snimanje je druga polovica. Tim je koristio radio{2}}metodu (RF) beat{3}}note: pomiješali su laserski izlaz sa stabilnom referencom i pratili rezultirajući RF signal tijekom vremena. Ovo pretvara ultrabrze optičke promjene u mjerljive električne signale, omogućujući istraživačima da rekonstruiraju kako se stanje lasera razvija tijekom promjene s vremenskom rezolucijom ispod 10 nanosekundi.
Jednostavno pravilo: Skaliranje snage
Nakon što je prijelazna pojava vidljiva, prirodni eksperiment postaje moguć: ponovite protokol prebacivanja mnogo puta, ali pomičite upravljačku tipku različitim brzinama. Tim je zatim izdvojio dobro-definirano vrijeme prijelaza iz svakog događaja prebacivanja. Rezultat je bio zapanjujući: u širokom rasponu brzina prelaska, prijelazno vrijeme slijedi robustan zakon snage. Brži prelasci dovode do bržeg prebacivanja, ali se poboljšanje usporava na predvidljiv način.
Kvantitativno, vrijeme prebacivanja mjeri se približno kao obrnuti kvadratni korijen brzine prelaska, što odgovara eksponentu blizu 0,5. Isto se ponašanje također pojavljuje u studijama laserskih mreža s-šupljinom, što sugerira da pravilo nije krhka značajka jednog uređaja, već umjesto toga odražava šire načelo neravnotežnog prebacivanja u pokretanim, disipativnim fotonskim sustavima.
"Univerzalni zakoni skaliranja su vrijedni jer inženjerima i znanstvenicima daju kompas za predviđanje", rekao je prof. Xiao, odgovarajući autor ovog istraživačkog rada. "Umjesto ugađanja uređaja metodom pokušaja i pogreške, može se koristiti pravilo skaliranja da se predvidi kako promjena brzine upravljanja utječe na vrijeme odziva-i da se shvati gdje se pojavljuju sve manji povrati."
Za aplikacije, ovo otkriće može nadahnuti rekonfigurabilne mikrolasere koji moraju brzo mijenjati radna stanja za fotoniku na-čipu, kao i spregnute laserske mreže predložene za optimizaciju i analogno računalstvo, gdje se mnogi čvorovi moraju prebacivati pouzdano i brzo. Za temeljnu znanost, rezultat pruža rijetku, čistu eksperimentalnu referentnu točku za neravnotežnu kritičnu dinamiku u otvorenom, ne-hermitovskom okruženju-areni u kojoj se klasične ideje o faznim prijelazima moraju ponovno promisliti i testirati.
