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Feature vom 9. Februar 2023

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von Thamarasee Jeewandara, Phys.org

Ausnahmepunkte sind eine bestimmte Art spektraler Singularität in nicht-hermiteschen Systemen und ihre faszinierende Physik wird derzeit mit optischen Ausnahmepunkten untersucht. Außergewöhnliche Punkte sind Singularitäten in den Energiefunktionen eines physikalischen Systems, an denen zwei Lichtmodi zusammenkommen können, um ungewöhnliche Effekte zu erzeugen. Mechanische Oszillatoren sind ein über die Photonik hinausgehendes System, das mit vielen physikalischen Systemen gekoppelt werden kann, um die Bereiche mechanische Sensorik, topologische Energieübertragung und nichtreziproke Dynamik weiter zu erforschen.

In einer neuen Studie, die jetzt in Science Advances verfügbar ist, entwickelten Ning Wu und ein Team von Wissenschaftlern aus den Bereichen Elektrotechnik, Wissenschaft und Technologie in China mechanische Ausnahmepunkte auf dem Chip mit einem optomechanischen Reißverschlusshohlraum aus Silizium. Während des Prozesses koppelten sie zwei nahezu degenerierte mechanische Atmungsmodi über einen einzigen kolokalisierten optischen Modus. Das Team passte die dissipativen und kohärenten Kopplungen zwischen den beiden mechanischen Oszillatoren an, um ein besonderes Merkmal außergewöhnlicher Punkte zu beobachten. Die Ergebnisse bieten eine grundlegende Plattform zur Untersuchung der Physik hinter den mechanischen Ausnahmepunkten auf Siliziumchips mit möglichen Anwendungen für hochempfindliche Messungen.

Nicht-hermitesche Systeme tauschen Energie mit der Außenumgebung ganz anders aus als konservative hermitesche Systeme. Außergewöhnliche Punkte existieren innerhalb nicht-hermitescher Systeme und werden als spezielle entartete Punkte von Spektren beobachtet. Aufgrund ihrer exotischen Natur erwarten Forscher von dem Phänomen faszinierende physikalische Konzepte. In der Vergangenheit hatten optische Ausnahmepunkte ihr Potenzial in Optiken und Mikrowellenhohlräumen, photonischen Kristallplatten und mehrschichtigen plasmonischen Strukturen gezeigt.

Forscher haben auch experimentell kontraintuitive Phänomene beobachtet. Wenn beispielsweise eine kleine Störung spezifischer Stärke auf die Ausnahmepunkte einwirkte, war die beobachtete spektrale Aufspaltung proportional zur interessierenden Stärke. Die außergewöhnlichen Punkte in anderen physikalischen Systemen können auf ähnliche Weise weiter untersucht werden.

Während dieser Arbeit demonstrierten Wu und Kollegen mechanische Ausnahmepunkte auf dem Chip in einem optomechanischen Reißverschlusshohlraum in einer Umgebungsumgebung. Die Wissenschaftler koppelten zwei nahezu entartete mechanische Gigahertz-Atmungsmodi mithilfe eines einzelnen optischen Modus. Die Ergebnisse ebnen den Weg für die Durchführung hochempfindlicher Messungen mit auf den Plattformen integrierten mechanischen Ausnahmepunkten, um letztendlich die Voraussetzungen für die Untersuchung der diesen Phänomenen zugrunde liegenden Physik zu schaffen.

Mechanische Ausnahmepunkte basieren auf optomechanischer Multimode-Kopplung; Das Phänomen tritt auf, wenn zwei unabhängige Pendel mit unterschiedlichen Schwingungen mit einem optischen Modus interagieren. Der optische Modus ermöglicht eine brückenartige Verbindung zwischen den beiden mechanischen Modi, um die Kopplungsstärke zwischen beiden zu regulieren.

Basierend auf den Merkmalen eines multimodalen optomechanischen Kopplungsmodells schlugen und konstruierten die Forscher einen optomechanischen Reißverschlusshohlraum vor, der zwei identische Silizium-Nanostrahlhohlräume mit einem Spalt im Nanomaßstab dazwischen enthält. Die Forscher erzeugten den Hohlraum auf einem Silizium-auf-Isolator-Wafer und verwendeten ein Pump-Probe-Schema, um die Verstimmung und die optische Verlustrate zu überwachen. Sie regten den optischen Sondermodus an, um die mechanischen Sonderpunkte mit einer daraus resultierenden Lorentzschen Anpassung zu realisieren.

Anschließend analysierte das Team die Entwicklung des Eigenwerts der mechanischen Moden, indem es den optischen Verstimmungsgradienten bei einer festen Laserleistung scannte. Das Team bemerkte das Auftreten von Phononenlasern sowohl im Niederfrequenzmodus als auch im Hochfrequenzmodus in verschiedenen Fällen als Beweis für die Kopplung zwischen den beiden mechanischen Oszillatoren. Als nächstes ermittelten die Physiker die mechanischen Eigenwerte aus den mechanischen Spektren, um ihre Entwicklung zu beobachten; Die experimentellen Daten stimmten mit den theoretischen Werten überein.

Basierend auf den Ergebnissen rekonstruierten die Forscher weiterhin die topologische Oberfläche der mechanischen Eigenwerte bei unterschiedlichen Laserleistungen und Verstimmungswerten, um sich als nächstes auf die Variation der Eigenwerte in der Nähe der Ausnahmepunkte zu konzentrieren.

Auf diese Weise entwickelten Ning Wu und Kollegen einen Versuchsaufbau und stellten einen größeren Unterschied der mechanischen Frequenz für eine verbesserte Frequenzaufteilung in der Nähe der Ausnahmepunkte fest. Sie verwendeten einen blau verstimmten Laser, um die mechanische Linienbreite zu reduzieren und gleichzeitig ein selbstreferenzielles Erkennungsschema der Frequenzaufteilung auf dem Gerät beizubehalten, um ein robustes System für mechanische Frequenzdrifts zu ermöglichen. Das Gerät könnte daher hochempfindliche Sensoren in Kombination mit Anti-Dämpfungsmodi und mechanischen Ausnahmepunkten realisieren.

Die Ergebnisse bieten eine zuverlässige, integrierte Plattform für die umfassende Untersuchung und Integration nicht-hermitescher Physik. Die Wissenschaftler beabsichtigen, den roten Erkennungslaser zu verwenden, um die optomechanische Multimode-Kühlung und die nichtreziproke Dynamik der mechanischen Ausnahmepunkte zu untersuchen. Die neuen Forschungsergebnisse können auch dazu führen, dass sowohl außergewöhnliche Punkte höherer Ordnung als auch Multimode-Dynamik im Phononenlaserregime auf derselben Plattform verstanden werden.

Mehr Informationen: Ning Wu et al., Mechanische Ausnahmepunkte auf dem Chip basierend auf einem optomechanischen Reißverschlusshohlraum, Science Advances (2023). DOI: 10.1126/sciadv.abp8892

Jing Zhang et al., Ein Phononenlaser, der an einem außergewöhnlichen Punkt arbeitet, Nature Photonics (2018). DOI: 10.1038/s41566-018-0213-5

Zeitschrifteninformationen:Naturphotonik, wissenschaftliche Fortschritte

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