Moderné technológie sa čoraz viac spoliehajú na svetelné zdroje, ktoré možno na požiadanie prekonfigurovať. Predstavte si mikrolasery, ktoré dokážu rýchlo prepínať medzi rôznymi prevádzkovými stavmi-podobne ako pri preraďovaní prevodových stupňov v aute-, takže optický čip môže smerovať signály, vykonávať výpočty alebo sa prispôsobovať meniacim sa podmienkam v reálnom čase. Prepínanie mikrolaserom nie je plynulý, pokojný proces, ale môže byť náhle a rýchle. Vo všeobecnosti takmer identické "kandidátske" stavy laserového žiarenia medzi sebou súťažia v mikrodutine a laser môže náhle preskočiť z jedného stavu do druhého, keď sa vyladia vonkajšie podmienky.
To vyvoláva praktickú otázku: Aký rýchly môže byť v princípe takýto prepínač? Pre fyzikov to vyvoláva hlbšiu otázku: Riadi sa prepínanie univerzálnym pravidlom, ako iné fázové prechody v prírode?
Tím z Pekingskej univerzity teraz poskytol jasný obraz o ultravysokom{0}}mikrodutinovom laseri{1}}čas, ktorý laser potrebuje na dokončenie zmeny stavu, sa riadi pozoruhodne jednoduchým-zákonom o sile. Keď potiahnete ovládací gombík rýchlejšie, prepínač sa zrýchli-, ale nie svojvoľne. Namiesto toho sa spínací čas znižuje s druhou odmocninou rýchlosti rozmietania, čo zodpovedá robustnému exponentu takmer polovici. Tento výsledok efektívne nastavuje rýchlostný limit pre to, ako rýchlo dokážu takéto mikrolasery „preradiť rýchlosť“. Zistenia sú publikované vFyzické prehľadové listy.
Ako ovládať laserový spínač?
V dutine s ultravysokým{0}}Q fotóny cirkulujú miliónkrát, kým uniknú, čo výrazne zvyšuje interakciu svetla a hmoty a umožňuje nízkoprahové laserové žiarenie. Doteraz väčšina štúdií vedela povedať, v akom stave laser skončil, ale bolo oveľa ťažšie zachytiť samotný proces prepínania-krátky prechod, kedy laser opustí jeden stav a usadí sa v inom. Tento prechodný jav sa môže rozvinúť v nanosekundových časových intervaloch a deje sa to v otvorenom systéme, ktorý je neustále poháňaný a stráca energiu, kde hluk a rozptyl zohrávajú ústrednú úlohu.
Na vyriešenie tohto problému tím vytvoril mikro-laserovú platformu, ktorú možno vyladiť čistým a programovateľným spôsobom. Laser je generovaný v ultravysokej-mikroguľôčke oxidu kremičitého Q-iba desiatky mikrometrov naprieč-, kde sa vlny v smere a proti smeru hodinových ručičiek môžu spojiť a vytvoriť dva konkurenčné stojaté-vlnové stavy (dva „supermódy“) s opačnými symetriami.
Kľúčovou myšlienkou bolo pridať spätnú slučku, ktorá opätovne vstrekuje malú časť laserového svetla späť do dutiny. Riadením fázy tohto reinjektovaného svetla môžu výskumníci spôsobiť, že rušenie buď posilní alebo oslabí špecifické supermódy. V skutočnosti im toto riadenie fázy umožňuje vyladiť rovnováhu strát medzi dvoma konkurenčnými stavmi lasera-ako je nastavenie hojdačky-, takže systém môže prejsť cez kritický bod, v ktorom sa jeden stav uprednostňuje pred druhým. Toto je zreteľne „ne-hermitovská“ forma kontroly: skôr než len posúvanie rezonančných frekvencií, priamo pretvára krajinu ziskov a strát, ktorá určuje, ktorý štát vyhrá.
Natáčanie prepínača v reálnom čase
Ovládanie prepínača je len polovica príbehu-nahrávanie je to druhá polovica. Tím použil metódu rádio-frekvenčného (RF) úderu-: Zmiešali laserový výstup so stabilnou referenciou a sledovali výsledný RF signál v priebehu času. To premieňa ultrarýchle optické zmeny na merateľné elektrické signály, čo umožňuje výskumníkom rekonštruovať, ako sa stav lasera vyvíja počas prepínania s časovým rozlíšením pod 10 nanosekúnd.
Jednoduché pravidlo: škálovanie výkonu
Akonáhle je prechodný jav viditeľný, je možný prirodzený experiment: opakujte spínací protokol mnohokrát, ale otáčajte ovládacím gombíkom rôznymi rýchlosťami. Tím potom z každého prepínania vybral dobre-definovaný čas prechodu. Výsledok bol ohromujúci: v širokom rozsahu rýchlostí zametania sa prechodný čas riadi silným zákonom o sile. Rýchlejšie zametanie vedie k rýchlejšiemu prepínaniu, ale zlepšenie sa spomaľuje predvídateľným spôsobom.
Kvantitatívne sa čas prepínania meria približne ako inverzná odmocnina rýchlosti rozmietania, čo zodpovedá exponentu blízkemu 0,5. Rovnaké správanie sa objavuje aj v štúdiách spojených-dutinových laserových sietí, čo naznačuje, že pravidlo nie je krehkou vlastnosťou jedného zariadenia, ale odráža širší princíp nerovnovážneho prepínania v riadených, disipatívnych fotonických systémoch.
„Zákony univerzálneho škálovania sú cenné, pretože poskytujú inžinierom a vedcom prediktívny kompas,“ povedal prof. Xiao, zodpovedajúci autor tejto výskumnej práce. „Namiesto ladenia zariadení metódou pokus-omyl je možné použiť škálovacie pravidlo na predvídanie toho, ako zmena rýchlosti ovládania ovplyvní čas odozvy-a na pochopenie toho, kde dochádza k znižovaniu návratnosti.“
Pre aplikácie môže toto zistenie inšpirovať rekonfigurovateľné mikrolasery, ktoré musia rýchlo prepínať prevádzkové stavy pre -čipovú fotoniku, a tiež spojené laserové siete navrhnuté na optimalizáciu a analógové výpočty, kde sa mnohé uzly musia prepínať spoľahlivo a rýchlo. Pre základnú vedu poskytuje výsledok vzácne, čisté experimentálne kritérium pre nerovnovážnu kritickú dynamiku v otvorenom, ne{2}}hermitovskom prostredí-aréne, kde je potrebné prehodnotiť a otestovať klasické myšlienky o fázových prechodoch.
