Савремене технологије се све више ослањају на изворе светлости који се могу реконфигурисати на захтев. Замислите микроласере који могу брзо да прелазе између различитих радних стања-слично као да аутомобил мења брзине-тако да оптички чип може да усмерава сигнале, врши прорачуне или се прилагођава променљивим условима у реалном времену. Пребацивање микроласера није гладак, лежеран процес, али може бити нагло и брзо. Генерално, скоро идентична стања "кандидата" ласера се такмиче једно са другим у микрошупљини, а ласер може нагло скочити из једног стања у друго када су спољашњи услови подешени.
Ово поставља практично питање: колико брзо може бити такво пребацивање, у принципу? За физичаре, то подиже дубљу: да ли пребацивање прати универзално правило, као и други фазни прелази у природи?
Тим на Универзитету у Пекингу је сада дао јасну слику ултрависоко{0}}ласера са микрошупљинама-време које је потребно ласеру да изврши промену стања прати изузетно једноставно правило{2}}закона снаге. Када се контролно дугме брже окреће, прекидач постаје бржи-али не произвољно. Уместо тога, време пребацивања се смањује са квадратним кореном брзине померања, што одговара робусном експоненту близу половине. Овај резултат ефективно поставља ограничење брзине колико брзо такви микроласери могу „променити брзине“. Налази су објављени уПхисицал Ревиев Леттерс.
Како контролисати ласерски прекидач?
У ултрависоком-К шупљини, фотони круже милионе пута пре него што исцуре, што у великој мери побољшава интеракције светлост-материја и омогућава ласерски рад са ниским{1}}прагом. До сада је већина студија могла да каже у ком је стању ласер завршио, али је било много теже ухватити сам процес пребацивања-кратки пролазни процес у коме ласер напушта једно стање и прелази у друго. Тај пролазни процес се може одвијати на временским скалама од наносекунде, а дешава се у отвореном систему који се стално покреће и губи енергију, где бука и дисипација играју централну улогу.
Да би ово решио, тим је направио микро-ласерску платформу која се може подесити на чист и програмабилан начин. Ласер се генерише у микросфери ултрависоке-К силицијум диоксида-пречника само десетине микрометара-где таласи у смеру казаљке на сату и у супротном смеру могу да се упаре и формирају два конкурентна стања стојећег-таласа (два „супермода“) са супротним симетријама.
Кључна идеја је била да се дода повратна петља која поново убризгава мали део ласерске светлости назад у шупљину. Контролишући фазу ове поново убризгане светлости, истраживачи су могли да учине интерференцију или јачање или слабљење одређених супермода. У ствари, ова контрола фазе им омогућава да подесе равнотежу губитака између два конкурентна стања ласера-као што је подешавање клацкалице-тако да систем може да пређе преко критичне тачке где једно стање постаје фаворизовано у односу на друго. Ово је изразито „не-ермитовски” облик контроле: уместо да само помера резонантне фреквенције, он директно преобликује пејзаж добитка и губитка који одређује која држава побеђује.
Снимање прекидача у реалном времену
Контролисање прекидача је само половина приче-снимање је друга половина. Тим је користио радио{2}}метод белешке{2}}фреквенције (РФ)-: помешали су ласерски излаз са стабилном референцом и пратили резултујући РФ сигнал током времена. Ово претвара ултрабрзе оптичке промене у мерљиве електричне сигнале, омогућавајући истраживачима да реконструишу како се стање ласера развија током пребацивања са временском резолуцијом испод 10 наносекунди.
Једноставно правило: Скалирање снаге
Једном када је прелазни процес видљив, природни експеримент постаје могућ: поновите протокол пребацивања много пута, али померајте контролно дугме различитим брзинама. Тим је затим издвојио добро-добро дефинисано време преласка из сваког догађаја промене. Резултат је био запањујући: у широком распону брзина померања, време транзиције прати снажан закон снаге. Бржи потези доводе до бржег пребацивања, али се побољшање успорава на предвидљив начин.
Квантитативно, време пребацивања се скалира приближно као инверзни квадратни корен брзине проласка, што одговара експоненту близу 0,5. Исто понашање се такође појављује у студијама ласерских мрежа са-шупљином, што сугерише да правило није крхка карактеристика једног уређаја, већ уместо тога одражава шири принцип неравнотежног пребацивања у погонским, дисипативним фотонским системима.
„Закони универзалног скалирања су драгоцени јер дају инжењерима и научницима компас за предвиђање“, рекао је проф. Сјао, одговарајући аутор овог истраживачког рада. „Уместо да подешавамо уређаје методом покушаја и грешака, може се користити правило скалирања да би се предвидело како промена брзине контроле утиче на време одзива-и да би се разумело где долази до смањења приноса.“
За апликације, ово откриће може да инспирише микроласере који се могу реконфигурисати који морају брзо да мењају радна стања за фотонику на -чипу, као и повезане ласерске мреже предложене за оптимизацију и аналогно рачунарство, где се многи чворови морају поуздано и брзо пребацивати. За фундаменталну науку, резултат пружа ретко, чисто експериментално мерило за неравнотежну критичну динамику у отвореном, не-хермитском окружењу-арена где се класичне идеје о фазним прелазима морају поново осмислити и тестирати.
