Eine internationale Zusammenarbeit hat die Kontrolle einer „außergewöhnlichen“ Oberfläche demonstriert und experimentell eine zuvor theoretische vollständige Absorption von Licht kontrolliert. Unter Verwendung eines Mikroresonators, einer von vielen auf einem Siliziumchip hergestellten Silica-Mikrokügelchen, koppelten die Forscher Licht an die sich verjüngende optische Faser (die haarähnliche Struktur), um das Licht mit der richtigen Frequenz in den Mikrokügelchen-Resonator hinein und aus ihm heraus zu bewegen. Bildnachweis: Kelby Hochreither/State of Penn.
Durch die Demonstration der außergewöhnlichen Kontrolle eines offenen optischen Systems hat ein internationales Forschungsteam den Weg geebnet, exotische Phänomene experimentell zu messen und zu testen und mit exquisiter Sensibilität Einblicke in neue Physik zu gewinnen.
Veröffentlicht in Naturkommunikation, schufen Forscher der Penn State, der Michigan Technological University und der Technischen Universität Wien eine stabile Oberfläche aus „außergewöhnlichen“ Punkten – notorisch temperamentvollen Singularitäten, die besondere Eigenschaften aufweisen – und nutzten sie, um die perfekte Absorption von Licht in einem kohärenten chiralen System zu erleichtern und zu beobachten. Wenn Licht aus einer Richtung in das System eindringt, das als Oberfläche voller herausragender Punkte fungiert, wird das Licht vollständig absorbiert. Beim Eintritt aus der entgegengesetzten Richtung wird relativ wenig Licht absorbiert.
„Unsere Arbeit ebnet den Weg zu aufregender neuer Physik mit herausragenden Punkten jenseits ihres traditionellen Lebensraums in Sensorik und Laser, wo viele weitere Erkenntnisse zu erwarten sind“, sagte korrespondierender Autor Şahin Özdemir, außerordentlicher Professor für Ingenieurwissenschaften und Mechanik an der Penn State. Die Nutzung der einzigartigen Eigenschaften außergewöhnlicher Oberflächen, erklärte Özdemir, könnte ein tieferes Verständnis dafür vermitteln, was passiert, wenn physikalische Prozesse genau an einem außergewöhnlichen Punkt ablaufen, was zu potenziellen Anwendungen für bessere Sensoren und neue Wege zur Steuerung der Wechselwirkung von Licht mit Materie führen könnte.
Offene Systeme bewegen ständig Energie hinein und hinaus, ändern ihre Parameter und wie sie auf sich bewegende Variablen in ihrer Umgebung reagieren. In diesem Tanz der Veränderung kann der Wert eines beliebigen Spektralpunkts im System mit dem Wert eines anderen Spektralpunkts verschmelzen und sie zu einer spektralen Singularität zusammenbringen – ein außergewöhnlicher Punkt. Unglaublich empfindliche, außergewöhnliche Punkte reagieren auf jede Störung mit starken, messbaren Signalen. Laut Özdemir kann selbst die kleinste Störung den Ausnahmepunkt so weit treffen, dass er sich löst und nicht außergewöhnlich wird.
„Die Kehrseite dieser Fragilität ist, dass es sehr schwierig wird, ein System an einem außergewöhnlichen Punkt zu betreiben, ohne aus der Singularität getrieben zu werden, was eine ernsthafte Herausforderung darstellt, außergewöhnliche Punkte für praktische Anwendungen zu nutzen“, sagte Özdemir und erklärte das nahe bis zu einem außergewöhnlichen Punkt führt Rauschen in das System ein. „Sie können Ihr System in einem riesigen Raum näher an diese Punkte bringen, aber Sie stabilisieren das System möglicherweise nicht lange genug, um diese außergewöhnlichen Punkte genau zu untersuchen. Was wäre also, wenn jeder Punkt in diesem Raum außergewöhnlich wäre?“
Nach ihren früheren theoretischen Vorschlägen, veröffentlicht in Briefe zur körperlichen Untersuchung und Optische Buchstaben, Die Forscher platzierten einen Spiegel an einem Ende eines Wellenleiters, einer Struktur, die Lichtwellen dazu anregt, einem bestimmten Weg zu folgen. Der Wellenleiter wurde mit einem Mikroresonator ausgestattet, der die Lichtausbreitung im und gegen den Uhrzeigersinn bei gleicher Frequenz unterstützt. Die Forscher koppelten das Licht an den Resonator, brachten seine Frequenz auf die des Ausnahmepunkts zurück und schickten es entweder im Uhrzeigersinn oder gegen den Uhrzeigersinn durch das System. Das Licht im Uhrzeigersinn wanderte entlang einer sich verjüngenden Faserführung, bis es auf den Spiegel traf und in die Richtung zurückreflektiert wurde, aus der es kam. Das entgegen dem Uhrzeigersinn gerichtete Licht traf nicht auf den Spiegel, also reiste es einmal durch das System, bevor es sich zerstreute. Detektoren an jedem Ende verfolgten das aus dem System austretende Licht.
„Theoretisch wird Licht, das an einem außergewöhnlichen Punkt oder auf einer außergewöhnlichen Oberfläche absorbiert wird, mit einer Resonanzlinienform mit flacher Spitze gemessen“, sagte Özdemir.
Je nach Lichteinfallrichtung verhält sich das chirale System unterschiedlich. Wenn Licht im Uhrzeigersinn einfällt (rechts), wird ein Teil absorbiert, der Rest geht weiter zum Spiegel. Es reflektiert in seine ursprüngliche Richtung zurück, tritt wieder in den Resonator ein, koppelt an den Eingang im Uhrzeigersinn und erzeugt die wellenartige Feldverteilung, die als Stehwellenmuster bezeichnet wird. Die Form der Absorptionslinie erscheint dann als quadratischer Lorentzian (Flat Top). Wenn Licht gegen den Uhrzeigersinn in den Resonator eintritt (links), wird ein Teil des Lichts absorbiert, aber der größte Teil verlässt das System. Da es nicht in den Resonator passt, breitet sich das Licht nur gegen den Uhrzeigersinn aus, was zu einer Wanderwelle führt. Die gemessene Absorption hat eine Lorentz-Linienform. Bildnachweis: Solyemani und Şahin Özdemir / Penn State
Die Form der Linie bezieht sich auf die Form des gemessenen Spektrums. Licht, das im Uhrzeigersinn gesendet wurde, trat zuerst mit der außergewöhnlichen Punktfrequenz in den Resonator ein und wurde teilweise absorbiert, während der Rest zum Spiegel weiterging. Das reflektierte Licht kam durch den Resonator zurück, überlappte perfekt mit der Resonanz und absorbierte sie vollständig. Die gemessenen Spektren zeigten eine quadratische Lorentz-Linienform – die einst theoretische flache Spitze. Das gegen den Uhrzeigersinn gesendete Licht passierte den Resonator nur einmal, da es nicht reflektiert wurde. Die gemessenen Ergebnisse zeigen die Chiralität des Systems oder wie unterschiedliche Richtungseingaben unterschiedliches Verhalten bewirken.
„Wir haben eine perfekte chirale Absorption in einer außergewöhnlichen Oberfläche in einem offenen System gesehen“, sagte Erstautorin Sina Soleymani, Postdoktorandin in Ingenieurwissenschaften und Mechanik. Soleymani schloss seine Doktorarbeit zu diesem Projekt ab, bevor er 2021 seinen Abschluss an der Penn State machte. „Der Spiegel ermöglicht die Bildung der außergewöhnlichen Oberfläche, weil er die Moden chiral miteinander koppelt.“
Ohne den Spiegel verhält sich das System genau gleich, wenn das Licht im Uhrzeigersinn oder gegen den Uhrzeigersinn gesendet wird. Der Spiegel macht das System chiral: Ein Teil des im Uhrzeigersinn gesendeten Lichts koppelt gegen den Uhrzeigersinn, nachdem es vom Spiegel reflektiert wurde, aber das gegen den Uhrzeigersinn im Uhrzeigersinn gesendete Licht koppelt nicht im Uhrzeigersinn.
„Es ist so stabil und einfach“, sagte Solyemani. „Nur ein Spiegel an einem Ende des Wellenleiters gibt uns die schöne Oberfläche, um klassische und Quantendynamik an außergewöhnlichen Punkten einfacher zu studieren.“
Özdemir ist auch mit dem Penn State Materials Research Institute verbunden. Andere Mitwirkende sind Mohammad Mokim vom Department of Engineering and Mechanical Sciences der Penn State; Q. Zhong und R. El-Ganainy, Institut für Physik, Michigan Technological University und Henes Center for Quantum Phenomena; und S. Rotter, Institut für Theoretische Physik, Technische Universität Wien.
Ein neuer Trick zur Steuerung der Emissionsrichtung bei Mikrolasern
S. Soleymani et al, Perfect Chiral and Degenerate Absorption on Exceptional Surfaces, Naturkommunikation (2022). DOI: 10.1038/s41467-022-27990-w
Zitieren: Wissenschaftler entwickeln „außergewöhnliche“ Oberfläche zur Erforschung exotischer Physik (2. Februar 2022) Abgerufen am 2. Februar 2022 von https://phys.org/news/2022-02-scientists-exceptional-surface-explore-exotic.html
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