Wykorzystanie mocy specjalnych technologii światła od dawna obiecuje stabilne i wydajne sposoby kontrolowania sposobu przemieszczania się światła przez urządzenia. Ale jednym z głównych ograniczeń jest potrzeba powolnych i starannych zmian w celu utrzymania czegoś, co nazywa się „adiabatycznością” – stan, w którym światło porusza się przez system, nie przeskakując nieprzewidywalnie między różnymi poziomami energii. Ostatnie badanie oferuje ważny postęp, identyfikując najkrótszy możliwy czas, które mogą się zdarzyć, otwierając drzwi do mniejszych i szybszych urządzeń optycznych.
Profesor Tao Li i dr Wange Song z Nanjing University opracowali metodę osiągnięcia tego najkrótszego limitu-znanego jako Adiabatyczne Infimum, minimalny czas lub długość potrzebna do zachowania stabilności w systemie-przy użyciu specjalnie zaprojektowanych struktur światła wytwarzanych z niobate litowego, materiału kryształowego często stosowanego w optyce o wysokiej wydajności. Ich prace są publikowane w recenzowanym czasopiśmie Nature Communications.
Badania koncentruje się na procesie znanym jako pompowanie topologiczne, sposób przeniesienia światła lub innych cząstek z jednego miejsca do drugiego w systemie poprzez staranne dostosowanie warunków w czasie. To, co sprawia, że ten proces jest wyjątkowy, to jego topologiczny charakter – co oznacza, że opiera się na ogólnej strukturze systemu, a nie jego szczególne szczegóły, co pomaga pozostać stabilnym, nawet gdy obecne są niedoskonałości. Zwykle transfer ten wymaga powolnych korekt, aby utrzymać adiabatyczny system, ale zespół odkrył sposób na przyspieszenie procesu poprzez optymalizowanie ścieżki kontrolującej ewolucję systemu.
Aby to uczynić, profesor Li i Dr. Song skupili się na kształcie tak zwanej pętli modulacji, ścieżki, wzdłuż której kluczowe właściwości systemu są zróżnicowane w celu prowadzenia światła. Centralnym dla ich podejścia było zminimalizowanie połączenia jagodowego, matematycznej koncepcji, która opisuje, w jaki sposób kwantowy stan światła przesuwa się przez system. To połączenie określa, jak prawdopodobne jest, że światło może wskoczyć do niechcianych stanów. Znajdując sposób na zmniejszenie go na ścieżce, naukowcy umożliwili systemowi ewolucję systemu, jednocześnie pozostając stabilnym.
Zespół przetestował to przy użyciu dwóch wersji ich projektu, obu opartych na modelu ryżu, uproszczonej ramy często używanej do badania systemów z dwoma naprzemiennymi częściami, takimi jak łańcuch falowodów optycznych. Jeden projekt podążył za tradycyjną pętlą, podczas gdy drugi używał swojej zoptymalizowanej wersji, określanej jako pętla Infi – skrót od „Infimum” – reprezentującej najbardziej wydajną trasę. W standardowej konfiguracji światło poruszało się tylko czysto, gdy urządzenie było stosunkowo długie. Natomiast pętla Infi osiągnęła ten sam wynik w znacznie krótszym odległości. „Zbliżamy się do Adiabatycznego Infimum, minimalizując skuteczne połączenie jagodowe wzdłuż pętli”, powiedział profesor Li, podkreślając, w jaki sposób ta mądrzejsza trasa unikała problematycznych obszarów w konfiguracji systemu.
Te wyniki nie były tylko teoretyczne. Naukowcy zbudowali urządzenia na układach przy użyciu cienkich warstw litowych niobate, znanej jako platforma litowo-litowa z cienkowarstwem, która jest technologią, która łączy dobre właściwości optyczne z możliwością tworzenia kompaktowych urządzeń. Wstrzyknęli światło do struktur falowodu – małe ścieżki, które prowadzą światło wzdłuż określonych tras – i obserwowali, jak się porusza. W tradycyjnym projekcie światło nie pozostało na dobrej drodze, chyba że ścieżka była wystarczająco długa. Ale w nowym projekcie światło podążało za zamierzoną trasą o znacznie krótszą długość, potwierdzając sukces tego podejścia.
„Adiabatyczne infimum przyspiesza pompy topologiczne od ograniczeń powolnej ewolucji i ułatwia projektowanie kompaktowych urządzeń topologicznych”, dodał dr Song. Innymi słowy, ta metoda podnosi ograniczenia spowodowane przez powolne procesy i umożliwia znacznie mniejsze urządzenia o tej samej wydajności. Jest to szczególnie ważne w przypadku platform litowych niobate, które zazwyczaj potrzebują więcej miejsca, ponieważ materiał wygina światło mniej silnie niż inne, takie jak krzem.
Odkrycia zapewniają również nowe zrozumienie, w jaki sposób światło można kontrolować w systemach, które są stabilne w stosunku do niedoskonałości. Przemywając sposób kształtowania ścieżek w przestrzeni konfiguracyjnej systemu – abstrakcyjny krajobraz reprezentujący wszystkie możliwe ustawienia – zespół wykazał, że światło można napompować szybciej bez utraty niezawodności. Ma to szeroki potencjał w obszarach takich jak obliczenia kwantowe, w których światło musi się dokładnie i szybko poruszać, lub w technologiach telekomunikacyjnych i wykrywania wymagających zwartych, niezawodnych obwodów optycznych.
Badanie profesora Li i Dr. Song nie tylko poprawiło wydajność tych urządzeń, ale także oferowało nowe spojrzenie na fizykę. Osiągając adiabatyczne infimum, pokazali, w jaki sposób staranne projektowanie może przekraczać granice prędkości i wydajności w systemach światła-krok naprzód w opracowaniu nowej generacji technologii optycznych.
Referencje dziennika
Wu S., Song W., Sun J., Li J., Lin Z., Liu X., Zhu S., Li T. „Zbliżanie się do adiabatycznego infimum pomp topologicznych na falownikach litowych niobate.” Nature Communications, 2024. DOI: https://doi.org/10.1038/S41467-024-54065-9
O autorach
Tao Li jest profesorem na Nanjing University. Otrzymał National Science Fund for Distinguished Young Scholars i doskonały fundusz młodych naukowców. Otrzymał także fundusz edukacyjny „Wang Kuancheng” od Hongkongu i został wybrany jako wiodący talent w dziedzinie innowacji w nauce i technologii przez Ministerstwo Nauki i Technologii, a także jest częścią pierwszej grupy „Dengfeng Project Dengfeng Project B.” na Uniwersytecie Nanjing na Uniwersytecie Nanjing na Uniwersytecie. Został rozpoznany pięć razy za znaczące postępy w dziedzinie optyki w Chinach. Profesor Li wygłosił ponad 50 zaproszonych rozmów na międzynarodowych konferencjach i opublikował ponad 130 artykułów w czasopismach takich jak Nature i jej pod-czasopism, Phys. Wielebny Lett. I lekkie sci. Appl., Z cytowaną jego pracą ponad 12 000 razy. Obecnie pełni funkcję członka redakcji młodzieży chińskiej prasy laserowej i członkiem redakcji kilku innych czasopism i publikacji, w tym Biuletyna Science i ADI. Jest także członkiem rady Wydziału Metamaterials Chinese Materials Research Society, Jiangsu Physical Society i Jiangsu Optical Society.
Wange Song jest stowarzyszonym badaczem na Uniwersytecie Nanjing i wizytującym uczonym na University of Hongkong. Uzyskał tytuł licencjata w dziedzinie fizyki materiałowej na Nanjing University w 2016 roku i doktorat. W inżynierii optycznej z tego samego uniwersytetu w 2021 r. Otrzymał nagrodę Wang Daheng Optics Award, nagrodę Jiangsu Province Young Optical Science and Technology Award i został wybrany jako Yuxiu Young Scholar na Nanjing University. Badania Song koncentrują się przede wszystkim na optyce mikro-nano, aw ostatnich latach znaczący wkład w dziedziny optyki topologicznej i niehermitowskiej manipulacji pola optycznego. Do tej pory opublikował ponad 30 artykułów w międzynarodowych czasopismach akademickich, takich jak PRL (6 artykułów), Nat. Komunikat i sci. Adv. Jego badania zostały przedstawione w sugestiach redaktora i artykułach okładkowych, a zostały podkreślone przez fizykę, physorg i SPIE. Pełni także jako członek redakcji młodzieży i redaktor gościnny w kilku czasopismach akademickich.
