Diagrama esquemático del láser de fonón en un sistema de resonador compuesto:dos resonadores de microtoroides µR1 (verde) y µR2 (azul), están acoplados entre sí por campos evanescentes. El primer resonador admite un modo óptico de alta Q a1, y un modo mecánico con frecuencia de resonancia Ωm. El segundo resonador µR2, admite un modo óptico de bajo Q a2, y su tasa de amortiguación se ajusta mediante un nanotip de sílice recubierto de cromo que se aproxima a µR2. Crédito: Fotónica de la naturaleza , nature.com/articles/s41566-018-0213-5
Los cuantos básicos de luz (fotón) y sonido (fonón) son partículas bosónicas que obedecen en gran medida a reglas similares y, en general, son muy buenos análogos entre sí. Los físicos han explorado esta analogía en investigaciones experimentales recientes de un láser de fonón para proporcionar información sobre un tema muy debatido sobre cómo un láser, o más específicamente, su ancho de línea se ve afectado cuando se opera en un punto excepcional (EP). Los puntos excepcionales son singularidades en las funciones energéticas de un sistema físico en el que dos modos de luz se fusionan (se combinan en un modo) para producir efectos inusuales. Hasta hace poco, el concepto existía principalmente solo en teoría, pero recibió una atención renovada con demostraciones experimentales en sistemas ópticos como láseres y estructuras fotónicas. Los estudios experimentales involucraron sistemas con simetría de paridad-tiempo para ganancia y pérdida balanceadas de material, para garantizar una intensidad de luz robusta, inmune a la retrodispersión. Si bien los operadores hermitianos en física cuántica describen sistemas físicos cerrados y sin pérdidas, Los sistemas con límites abiertos que exhiben puntos excepcionales (PE) no son hermitianos.
Los estudios experimentales del PE se refieren principalmente a sistemas simétricos de paridad-tiempo que explotan hábilmente la interacción entre la ganancia y la pérdida para habilitar características completamente nuevas e inesperadas. En uno de esos saltos conceptuales, Los efectos ópticos inusuales producidos en estos sistemas hicieron que el medio fuera invisible en una dirección, un paso hacia los materiales ópticos de próxima generación con propiedades únicas que no se ven con los materiales naturales. Tales conceptos han iniciado intensos esfuerzos de investigación para explorar sistemas no hermitianos tanto experimental como teóricamente.
Antes de que se demostrara experimentalmente el primer láser, Schawlow y Townes calcularon el límite cuántico fundamental para su ancho de línea; Los EP están históricamente asociados con la ampliación extrema del ancho de línea del láser, más allá del límite fundamental de Schawlow-Townes. Aunque los modelos teóricos han proporcionado un marco para calcular el ancho de línea láser, no resuelven el problema directamente en el PE. Experimentalmente, no es sencillo dirigir un láser directamente a un EP, Dado que los modos de láser fotónico se vuelven inestables cerca de un EP, provocando un láser caótico que podría percibirse erróneamente como una línea láser extremadamente ancha.
Por lo tanto, hasta ahora no estaba claro qué sucede realmente con el ancho de línea cuando un láser opera en un EP. Comprender los mecanismos responsables de la ampliación del ancho de línea habilitará los recursos láser con nuevas capacidades a las que no teníamos acceso antes. Zhang et al., proporcionar una nueva estrategia elegante para abordar este problema tal como se publicó en Fotónica de la naturaleza , trabajando con un láser de fonón en lugar de su homólogo óptico (fotónico), observar su funcionamiento en un punto excepcional.
Sintonización de un láser de fonón a un punto excepcional:la primera columna es un esquema de la distribución de los supermodos ópticos a ± en los dos resonadores. La segunda columna ilustra la diferencia de frecuencia y los anchos de línea de los dos supermodos ópticos a ±. La última columna representa el ancho de línea del láser de fonón. El EP en el que se fusionan los dos supermodos ópticos está en c, resaltado en rojo. El sistema transita desde supermodos ópticos bien separados y distribuidos simétricamente en a, B, a supermodos cada vez más superpuestos con superposición completa vista en c. Impulsado por los modos ópticos, el láser de fonón hereda el aumento del ruido óptico, reflejado por un ancho de línea mecánico ampliado (cuadro rojo). El régimen posterior al PE se ve en d, mi, alejar el sistema del EP, lo que provoca un estrechamiento del ancho de línea del láser de fonón. Crédito: Fotónica de la naturaleza , nature.com/articles/s41566-018-0213-5
En el estudio, Los láseres de fonón producen oscilaciones de sonido coherentes (vibraciones mecánicas) inducidas por bombeo óptico, un concepto desarrollado previamente por Grudinin, Vahala y compañeros de trabajo, con características típicas de los láseres de fotones. En el presente experimento, los investigadores utilizaron un sistema optomecánico similar con dos microrresonadores acoplados de sílice en modo galería susurrante (verde y azul). El sistema compuesto de fonón-láser se dirigió hacia o lejos de su EP para observar el comportamiento del láser de fonón cerca de un EP.
Para observar el ensanchamiento del ancho de línea, los físicos excitaron ópticamente el modo mecánico del dispositivo experimental con luz de un láser sintonizable acoplado a un único microrresonador (verde) por medio de una fibra ahusada. Luego, para dirigir el sistema hacia o lejos de su EP, introdujeron una pérdida adicional en el segundo microrresonador (azul) utilizando una punta de nanofibra de sílice recubierta de cromo.
La interacción entre ganancia y pérdida se aprovechó de esta manera para sintonizar un láser de fonón con un EP. El láser de fonones se interpreta como un proceso paramétrico de tres ondas en el que dos ondas son ópticas y la tercera onda es acústica o mecánica. Zhang y col. proporcionó evidencia experimental directa para mostrar la superposición completa de supermodos ópticos en EP, y que el ruido óptico mejorado con EP se puede transferir directamente al ruido mecánico, lo que lleva a la ampliación del ancho de línea observada en los láseres de fonón.
Los beneficios prácticos son fáciles de captar:las ondas sonoras se propagan a una velocidad que es aproximadamente cinco órdenes de magnitud menor que la velocidad de la luz, y la longitud de onda del sonido es, por tanto, correspondientemente más corta que la de la luz de la misma frecuencia. Esta función puede permitir una alta precisión, mediciones e imágenes no destructivas, así como lograr una alta concentración de energía con ondas sonoras enfocadas. El presente trabajo abre nuevas perspectivas para la relación entre el ruido y la física no hermitiana, con aplicaciones potenciales en campos relacionados como tecnologías de procesamiento de señales. El sistema se puede utilizar como un dispositivo fonónico en chip análogo a los dispositivos fotónicos totalmente integrados para el procesamiento de información. Más interesante aún, la plataforma estudiada puede ampliar los conocimientos sobre la física no hermitiana al permitir la detección y el control de EP en sistemas de dos o varios niveles.
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