Forskere designer en ny emulator som avslører vanskelighetene med lysadferd i komplekse utviklende systemer

Forskere fra University of Central Florida er en del av et team som for første gang har avslørt vanskelighetene ved hvordan lys oppfører seg i avanserte dynamiske optiske systemer med konfigurasjoner kjent som ikke-hermitiske arrangementer.

I ikke-hermitiske systemer skaper tillatte energiverdier selvskjærende overflater med en unik topologi og grenpunkter, som er kjent som eksepsjonelle punkter. Overflatene krysser inn i hverandre ved en vri, betegnet med et eksepsjonelt punkt.

Teamet fant at topologien til en energioverflate i et ikke-hermitisk arrangement spiller mer en rolle i hvordan lys oppfører seg i et system som utvikler seg i tid, enn streng vikling rundt et eksepsjonelt punkt. Dette inkluderer atferd som kiral tilstandsoverføring, der en utgangstilstand er låst til viklingsretningen, enten med eller mot klokken.

Funnene, som nylig ble publisert i tidsskriftet Naturkan anspore utviklingen av nye mekanismer for lysmanipulasjon og love dyptgripende implikasjoner for teknologier som miniatyriserte og robuste lasere og høypresisjons lysbaserte sensorer.

Forskerne gjorde sine observasjoner ved å bygge en ny og mangefasettert fotonisk emulator som tillot dem å overvåke utviklingen av pulserende laserlys i systemet når det sakte varierte langs en lukket bane i nærheten av et eksepsjonelt punkt.

“Den optiske emuleringsplattformen som ble realisert kan brukes til å modellere noe av det mest forvirrende fysiske fenomener i naturen,” sier studiemedforfatter Mercedeh Khajavikhan, professor i fysikk og elektro- og datateknikk ved University of South California.

De eksperimentelle observasjoner utfordre tidligere demonstrasjoner, men støtte nylige teoretiske spådommer fra Khajavikhan og studiemedforfatter Demetrios Christodoulides, Cobb Family Endowed Chair og Pegasus professor i optikk ved University of Central Floridas CREOL, The College of Optics and Photonics.

Deres spådommer har vist at utgangen fra et ikke-hermitisk optisk system – uavhengig av dets inngang – blir ført inn i en av de to forhåndsdefinerte tilstandene, avhengig av retningen som en lukket bane foregår dynamisk i nærheten eller rundt et eksepsjonelt punkt .

“Andre studier har kun sett på hva som skjer i input og output av systemet,” sier studiens hovedforfatter, Hadiseh Nasari, en postdoktor ved University of Southern California og UCFs CREOL, The College of Optics and Photonics, der arbeid ble utført. “De var ikke i stand til å se hva som skjer i løpet av prosessen.”

“Emulatoren vår er ganske allsidig når det gjelder muligheten for faktisk å overvåke og grave inn i dynamikken til ikke-hermitiske systemer nær et eksepsjonelt punkt,” sier hun.

Christodoulides sier at det grunnleggende arbeidet er et stort skritt mot å utnytte potensialet til disse systemene.

“Ved å bedre forstå den underliggende fysikken til ikke-hermitiske systemer, vil vi være i stand til å konstruere variasjonene av energitap og gevinst som er nødvendig for realisering av integrerte, men effektive og kraftige optiske teknologier,” sier Christodoulides.

Khajavikhan bemerker den tekniske ferdigheten som var nødvendig for å utføre studien og de fremtidige forskningsveiene den åpner.

“Dette utfordrende arbeidet ble ledet av tre kvinnelige postdoktorer og doktorgradsstudenter – Hadiseh, Gisela Lopez-Galmiche og Helena E. Lopez-Aviles,” sier Khajavikhan. “Deres arbeid åpner for nye forskningsfronter når det gjelder bruk av fotoniske plattformer for å emulere komplekse systemer. De bygget i hovedsak en veldig kraftig optisk analog datamaskin.”

Lopez-Galmiche var postdoktor med CREOL, og Lopez-Aviles er utdannet ved CREOLs doktorgradsprogram.

---

---