Las estructuras físicas naturales y artificiales pierden energía, y los científicos trabajan duro para eliminar esa pérdida o compensarla. Los dispositivos ópticos y fotónicos pierden energía a través de la dispersión de la luz, radiación o absorción de material. En algunas situaciones sin embargo, El diseño intencional pero cuidadoso de la pérdida en dispositivos y sistemas ópticos abiertos puede conducir a fenómenos físicos no convencionales que inspiran métodos novedosos para el control óptico y la ingeniería.

Lan Yang, los profesores Edwin H. &Florence G. Skinner de Ingeniería Eléctrica y de Sistemas en la Escuela de Ingeniería McKelvey de la Universidad de Washington en St. Louis, y un equipo que incluye a A. Douglas Stone, el profesor Carl A. Morse de Física Aplicada y Física en la Universidad de Yale, y su laboratorio descubrió nuevos enfoques para manipular la absorción de luz en resonadores ópticos mediante diferentes tipos de pérdidas ópticas. Lograron una degeneración de dos modos absorbentes perfectos y coherentes, lo que conduce a un espectro de absorción ampliado de forma no convencional y a la capacidad de cambiar entre absorción débil y fuerte en una banda de frecuencia amplia. El trabajo fue publicado el 9 de septiembre de 2021, en Ciencias .

El equipo de Yang utiliza una plataforma experimental conocida como microrresonadores en modo galería susurrante (WGM), llamado así por la famosa galería de susurros en la catedral de St. Paul de Londres, donde una persona en un lado de la galería puede escuchar el susurro de otra persona en el extremo opuesto de la galería. El dispositivo óptico WGM actúa de manera similar, aunque con frecuencias de luz en lugar de sonido. Esas estructuras soportan resonancias, es decir., sólo la luz con cierta frecuencia puede permanecer en un sistema de este tipo durante mucho tiempo. Como resultado de la pérdida por absorción de material, la luz puede ser absorbida por el resonador. Más lejos, Por lo general, se coloca una guía de ondas de fibra tangencial al borde del resonador para acoplar la luz dentro o fuera del resonador. El acoplamiento entre el resonador y la fibra crea un canal adicional de pérdida de acoplamiento no disipativo, lo que permite que la luz atrapada dentro del resonador escape de la fibra.

Los investigadores crearon dos microrresonadores WGM con diferentes pérdidas de absorción y acoplaron sus campos ópticos colocándolos muy juntos. Cada resonador está acoplado a una guía de ondas de fibra. Al cambiar el espacio entre los resonadores y las guías de onda, pudieron ajustar la pérdida de acoplamiento.

En su experimento, los investigadores lograron una absorción perfecta de la luz entrante de los canales de la guía de ondas, una situación llamada absorción perfecta coherente (CPA), optimizando la relación entre las dos pérdidas por acoplamiento y las dos pérdidas por absorción. CPA es el tiempo inverso del proceso láser, en lugar de emitir la luz, el sistema absorbe completamente la luz iluminada sin ninguna emisión o dispersión.

"En general, un sistema óptico con pérdidas es capaz de absorber la luz entrante, pero la absorción perfecta no puede ocurrir a menos que los parámetros de pérdida, como la relación entre la absorción y las pérdidas por acoplamiento, está diseñado y controlado con criterio, "Dijo Yang." Lo que es más, para que se produzca una absorción perfecta, los rayos láser entrantes tienen que oscilar a una frecuencia exacta y ser inyectados desde dos canales de guía de ondas con una relación bien diseñada de amplitudes y fases ".

En un sistema con dos resonadores ópticos, hay dos tipos de formas de onda que se pueden absorber por completo, y ocurren en dos frecuencias diferentes. Por lo tanto, el sistema suele comportarse como dos absorbentes perfectos. Pero con una optimización del acoplamiento entre los resonadores sintonizados por su brecha, esas dos frecuencias y formas de onda se fusionan haciendo que suceda algo poco convencional. Sintonizando el sistema a ese punto, los investigadores observaron por primera vez una forma de línea del espectro de salida que es más amplia que la forma de línea convencional de Lorentz.

"Cuando los dos modos de CPA se fusionan, el sistema alcanza un tipo especial de degeneración que se conoce como un punto excepcional perfectamente absorbente, "dijo Changqing Wang, estudiante de doctorado en el laboratorio de Yang y primer autor del artículo. "Es fundamentalmente diferente de otros tipos convencionales de degeneraciones que se encontraron en los sistemas de ondas abiertas. Parece que tienes dos absorbedores que operan a la misma frecuencia y absorben perfectamente el mismo tipo de haz. Pero el sistema se comporta de manera muy diferente a un solo haz. amortiguador, ni simplemente la suma de dos absorbentes ".

Con los modos absorbentes perfectos degenerados, cambiando ligeramente el retardo relativo de los dos rayos láser que entran en las dos guías de onda, la absorción del sistema puede variar drásticamente de fuerte a débil. Comparado con el absorbedor convencional, esta modulación ocurre en un rango de frecuencia más amplio debido al efecto de degeneración no trivial en el punto excepcional de absorción perfecta. Este fenómeno no ocurre para un sistema sin pérdida, o sistemas que tienen un equilibrio de pérdidas y ganancias.

"Este trabajo aporta nuevos conocimientos sobre cómo aprovechar diferentes tipos de pérdidas para manipular un sistema físico abierto, "Dijo Yang." En el pasado, La pérdida ha permitido una gran cantidad de fenómenos físicos interesantes en óptica no hermitiana, sistemas acústicos y electrónicos, pero existe un gran potencial para aprovechar los diferentes roles de las diferentes fuentes de pérdidas. Por ejemplo, aquí, en este trabajo, la pérdida por absorción de material juega un papel distinto de la pérdida por acoplamiento no disipativo en la adaptación de la propiedad de dispersión del sistema. Los diversos tipos de pérdidas enriquecen los grados de libertad de la ingeniería óptica ".

Este descubrimiento de la absorción perfecta de la luz, degenerada y no trivial, aporta información para diversas aplicaciones en fotónica, acústica, electrónica y sistemas cuánticos, Dijo Yang. Los puntos excepcionales de absorción perfecta se pueden aprovechar para diseñar sensores ópticos con una sensibilidad ultra alta para la detección de nanopartículas, medición de la velocidad de rotación e imágenes de tejido biológico.

"La pura necesidad de pérdida sin necesidad de ganancia hace que el diseño sea más simple, más accesible, y más estable, debido al hecho de que agregar ganancia a los dispositivos siempre es mucho más engorroso y trae ruido adicional que deteriora el rendimiento del sistema, "Dijo Yang." La pérdida es de naturaleza omnipresente, y entendiéndolo mejor, lo hacemos más útil ".