Écriture directe au laser femtoseconde des oscillations de Bloch dans des réseaux de Floquet optiques

Le 28 avril 2024, l'équipe du professeur Shu Xuewen de l'Université des sciences et technologies de Huazhong (HUST), en collaboration avec l'équipe du professeur Sun Xiankai de l'Université chinoise de Hong Kong (CUHK), a publié les derniers progrès de la recherche. Observation visuelle de la photonique Oscillations Floquet-Bloch.
Les oscillations de Bloch sont un phénomène classique de transport quantique cohérent qui se manifeste par des oscillations périodiques de particules quantiques dans un champ potentiel périodique sous l'action d'une force constante appliquée. En tant qu'effet physique fondamental, les oscillations de Bloch ont été découvertes et étudiées dans une variété de systèmes, tels que les super-réseaux semi-conducteurs, les atomes ultra-froids, les réseaux de guides d'ondes couplés et les réseaux photoniques dimensionnels synthétiques, etc. recherche en physique, mais fournissent également de nouvelles idées et méthodes pour une manipulation flexible de l'évolution de la fonction d'onde. Cependant, les études sur le phénomène d'oscillation de Bloch se sont principalement concentrées sur les systèmes statiques, et le phénomène d'oscillation de Bloch dans les systèmes à entraînement périodique (Floquet) doit être exploré plus en profondeur.

Fig. 1. (a) Schéma du réseau de guides d'ondes à écriture directe laser femtoseconde. (b) Photographie de la section transversale de l’échantillon préparé expérimentalement. (c) Photo vue de dessus d’un échantillon préparé expérimentalement.
Pour résoudre ce problème, cette étude étudie le phénomène d'oscillation de Bloch dans le système Froché à l'aide d'un réseau de guides d'ondes courbés unidimensionnels préparé par écriture directe au laser femtoseconde, propose une théorie générale du phénomène d'oscillation de Bloch dans le réseau optique de Froché, et visualise expérimentalement et observe le phénomène d'oscillation optique de Froché-Bloch. Comme le montre la figure 1, la trajectoire de courbure du guide d'ondes dans le réseau est une trajectoire composite constituée d'une courbure circulaire superposée à une courbure périodique. Sous l'approximation de l'axe du soir, l'équation de fluctuation décrivant l'évolution du transport de la lumière dans ce réseau de guides d'ondes est mathématiquement équivalente à l'équation de Schrödinger décrivant l'évolution des électrons en fonction du temps dans un champ potentiel périodique sous l'action d'un champ électrique appliqué, et la direction du transport de la lumière dans le réseau de guides d'ondes est équivalente au terme de temps dans l'équation de Schrödinger. La courbure de la trajectoire de courbure du guide d'ondes est considérée comme la force de champ électrique équivalente agissant sur l'onde lumineuse transmise, où la trajectoire de courbure circulaire génère la force de champ électrique constante équivalente conduisant aux oscillations de Bloch, et la trajectoire de courbure périodique génère le champ électrique périodique équivalent. force introduisant la modulation Frohnke. Ainsi, le réseau de guides d'ondes permet l'observation du phénomène d'oscillation de Bloch dans un réseau optique de Floquet.

Figure 2. (a) - (d) Observations expérimentales lors d'une excitation à guide d'onde unique. (e) - (h) Observations expérimentales avec excitation à large faisceau.
Dans cette étude, l’évolution de la transmission continue des ondes lumineuses dans des réseaux de guides d’ondes a été visualisée et observée à l’aide de la microscopie à fluorescence sur guide d’ondes. La figure 2 montre les modes de respiration et d'oscillation du phénomène d'oscillation de Bloch dans le réseau optique de Froquet pour l'incidence d'un guide d'onde unique et l'incidence d'un faisceau large, respectivement. Lorsque la période de modulation de Floquet est inégale à tout multiple entier de la période d'oscillation de Bloch, la dispersion de Floquet est constante et égale à zéro, et les oscillations optiques de Floquet-Bloch de période qui est le plus petit commun multiple de la période de modulation de Floquet et du Bloch une période d'oscillation se produit. Dans le reste des cas, la dispersion de Floquet n'est plus égale à 0, et la transmission de la lumière est généralement caractérisée par une diffraction diffuse. De plus, les chercheurs ont étudié théoriquement et expérimentalement l'effet des paramètres de modulation de Flokay sur les oscillations optiques de Flokay-Bloch, révélant la nature évolutive unique du phénomène, notamment les propriétés spectrales fractales associées à la période de modulation de Flokay et à l'ordre fractionnaire de Flokay. propriétés de tunneling associées à l'amplitude de modulation Flokay.

Fig. 3. (a) Propriétés spectrales fractales des oscillations optiques de Froquet-Bloch. (b) Propriétés tunnel de Floquet-Bloch d'ordre fractionnaire des oscillations optiques de Floquet-Bloch.
L'observation visuelle des oscillations optiques de Floquet-Bloch révèle un nouveau mécanisme d'évolution de la fonction d'onde, qui revêt une grande importance tant pour la recherche fondamentale que pour les applications pratiques. En termes de recherche fondamentale, le modèle théorique et la plate-forme expérimentale soutiennent une exploration plus approfondie des nouveaux phénomènes résultant de l'interaction de la conception et de la modulation des oscillations de Frohike-Bloch avec des réseaux binaires, des réseaux non-ermiens et des non-linéarités optiques ; et en termes d'applications pratiques, les oscillations optiques de Frohike-Bloch sont essentiellement un phénomène de transport cohérent, et peuvent donc être étendues à une variété de recherches. des plates-formes telles que des réseaux synthétiques dans le domaine fréquentiel, des atomes froids, des cristaux spatio-temporels et des marches quantiques, et devraient être utilisées pour réaliser une conversion de fréquence, des mesures de précision et la manipulation d'une variété de transmissions d'ondes.