Οι σύγχρονες τεχνολογίες βασίζονται όλο και περισσότερο σε πηγές φωτός που μπορούν να διαμορφωθούν εκ νέου κατά παραγγελία. Σκεφτείτε τα μικρολέιζερ που μπορούν να αλλάζουν γρήγορα μεταξύ διαφορετικών καταστάσεων λειτουργίας-όπως ένα αυτοκίνητο που αλλάζει ταχύτητες-έτσι ώστε ένα οπτικό τσιπ να μπορεί να δρομολογεί σήματα, να εκτελεί υπολογισμούς ή να προσαρμόζεται στις μεταβαλλόμενες συνθήκες σε πραγματικό χρόνο. Η εναλλαγή μικρολέιζερ δεν είναι μια ομαλή, χαλαρή διαδικασία, αλλά μπορεί να είναι ξαφνική και γρήγορη. Γενικά, σχεδόν πανομοιότυπες «υποψήφιες» καταστάσεις λέιζινγκ ανταγωνίζονται μεταξύ τους σε μια μικροκοιλότητα και το λέιζερ μπορεί να μεταπηδήσει απότομα από τη μια κατάσταση στην άλλη όταν συντονίζονται οι εξωτερικές συνθήκες.
Αυτό εγείρει ένα πρακτικό ερώτημα: Πόσο γρήγορος μπορεί να είναι, κατ' αρχήν, ένας τέτοιος διακόπτης; Για τους φυσικούς, εγείρει ένα βαθύτερο: Η εναλλαγή ακολουθεί έναν καθολικό κανόνα, όπως και άλλες μεταβάσεις φάσης στη φύση;
Μια ομάδα στο Πανεπιστήμιο του Πεκίνου έδωσε τώρα μια σαφή εικόνα ενός-λέιζερ μικροκοιλότητας εξαιρετικά υψηλής ποιότητας-ο χρόνος που χρειάζεται το λέιζερ για να ολοκληρώσει έναν διακόπτη κατάστασης ακολουθεί έναν εξαιρετικά απλό κανόνα νόμου ισχύος-. Όταν το κουμπί ελέγχου σαρώνεται πιο γρήγορα, ο διακόπτης γίνεται πιο γρήγορος-αλλά όχι αυθαίρετα. Αντίθετα, ο χρόνος μεταγωγής μειώνεται με την τετραγωνική ρίζα της ταχύτητας σάρωσης, που αντιστοιχεί σε έναν ισχυρό εκθέτη κοντά στο μισό. Αυτό το αποτέλεσμα ουσιαστικά θέτει ένα όριο ταχύτητας για το πόσο γρήγορα τέτοια μικρολέιζερ μπορούν να «αλλάξουν ταχύτητες». Τα ευρήματα δημοσιεύονται στοΕπιστολές Φυσικής Ανασκόπησης.
Πώς να ελέγξετε τον διακόπτη λέιζερ;
Σε μια κοιλότητα υπερυψηλής-Q, τα φωτόνια κυκλοφορούν πολλά εκατομμύρια φορές πριν διαρρεύσουν, γεγονός που ενισχύει σημαντικά τις αλληλεπιδράσεις φωτός-ύλης και επιτρέπει το λέιζινγκ χαμηλού-ορίου. Μέχρι τώρα, οι περισσότερες μελέτες μπορούσαν να πουν σε ποια κατάσταση κατέληγε το λέιζερ, αλλά ήταν πολύ πιο δύσκολο να αποτυπωθεί η ίδια η διαδικασία εναλλαγής-το σύντομο παροδικό όπου το λέιζερ φεύγει από μια κατάσταση και εγκαθίσταται σε μια άλλη. Αυτό το παροδικό μπορεί να ξεδιπλωθεί σε χρονικές κλίμακες νανοδευτερόλεπτου και συμβαίνει σε ένα ανοιχτό σύστημα που οδηγεί συνεχώς και χάνει ενέργεια, όπου ο θόρυβος και η διασπορά παίζουν κεντρικούς ρόλους.
Για να το λύσει αυτό, η ομάδα κατασκεύασε μια πλατφόρμα μικρο-λέιζερ που μπορεί να ρυθμιστεί με καθαρό και προγραμματιζόμενο τρόπο. Το λέιζερ δημιουργείται σε μια εξαιρετικά υψηλή-μικρόσφαιρα διοξειδίου του πυριτίου Q-μόνο δεκάδες μικρόμετρα κατά μήκος-όπου δεξιόστροφα και αριστερόστροφα κύματα μπορούν να συζευχθούν και να σχηματίσουν δύο ανταγωνιστικές στάσιμες-κυματικές καταστάσεις (δύο "υπερτρόπους") με αντίθετες συμμετρίες.
Η βασική ιδέα ήταν να προστεθεί ένας βρόχος ανάδρασης που επανεισάγει ένα μικρό μέρος του φωτός λέιζερ πίσω στην κοιλότητα. Ελέγχοντας τη φάση αυτού του επανεισαχθέντος φωτός, οι ερευνητές θα μπορούσαν να κάνουν παρεμβολές είτε να ενισχύσουν είτε να αποδυναμώσουν συγκεκριμένους υπερτρόπους. Στην πραγματικότητα, αυτός ο έλεγχος φάσης τους επιτρέπει να συντονίζουν την ισορροπία απώλειας μεταξύ των δύο ανταγωνιστικών καταστάσεων λέιζινγκ-όπως η προσαρμογή μιας τραμπάλας-έτσι ώστε το σύστημα να μπορεί να σαρωθεί στο κρίσιμο σημείο όπου η μία κατάσταση ευνοείται έναντι της άλλης. Αυτή είναι μια σαφώς «μη-ερμιτική» μορφή ελέγχου: αντί να μετατοπίζει μόνο τις συχνότητες συντονισμού, αναδιαμορφώνει άμεσα το τοπίο κέρδους-απώλειας που καθορίζει ποια πολιτεία κερδίζει.
Κινηματογράφηση του διακόπτη σε πραγματικό χρόνο
Ο έλεγχος του διακόπτη είναι μόνο η μισή ιστορία-η ηχογράφηση είναι η άλλη μισή. Η ομάδα χρησιμοποίησε μια μέθοδο σημείωσης-ραδιοσυχνότητας (RF)-: Αναμείξτε την έξοδο λέιζερ με μια σταθερή αναφορά και παρακολούθησαν το σήμα ραδιοσυχνοτήτων που προέκυψε με την πάροδο του χρόνου. Αυτό μετατρέπει τις εξαιρετικά γρήγορες οπτικές αλλαγές σε μετρήσιμα ηλεκτρικά σήματα, επιτρέποντας στους ερευνητές να ανασυνθέσουν τον τρόπο με τον οποίο εξελίσσεται η κατάσταση λέιζερ κατά τη διάρκεια του διακόπτη με χρονική ανάλυση κάτω των 10 νανοδευτερόλεπτων.
Ο απλός κανόνας: Μια κλιμάκωση ισχύος
Μόλις το μεταβατικό είναι ορατό, γίνεται δυνατό ένα φυσικό πείραμα: επαναλάβετε το πρωτόκολλο μεταγωγής πολλές φορές, αλλά σαρώστε το κουμπί ελέγχου σε διαφορετικές ταχύτητες. Στη συνέχεια, η ομάδα εξήγαγε έναν καλά καθορισμένο χρόνο μετάβασης από κάθε συμβάν αλλαγής. Το αποτέλεσμα ήταν εντυπωσιακό: σε ένα ευρύ φάσμα ταχυτήτων σάρωσης, ο χρόνος μετάβασης ακολουθεί έναν ισχυρό νόμο ισχύος. Οι ταχύτερες σαρώσεις οδηγούν σε ταχύτερη εναλλαγή, αλλά η βελτίωση επιβραδύνεται με προβλέψιμο τρόπο.
Ποσοτικά, ο χρόνος μεταγωγής κυμαίνεται περίπου ως η αντίστροφη τετραγωνική ρίζα της ταχύτητας σάρωσης, που αντιστοιχεί σε έναν εκθέτη κοντά στο 0,5. Η ίδια συμπεριφορά εμφανίζεται επίσης σε μελέτες συζευγμένων-δικτύων λέιζερ κοιλότητας, υποδηλώνοντας ότι ο κανόνας δεν είναι ένα εύθραυστο χαρακτηριστικό μιας συσκευής, αλλά αντικατοπτρίζει μια ευρύτερη αρχή της μεταγωγής μη ισορροπίας σε κινούμενα, διασκορπιστικά φωτονικά συστήματα.
«Οι καθολικοί νόμοι κλιμάκωσης είναι πολύτιμοι επειδή δίνουν στους μηχανικούς και τους επιστήμονες μια προγνωστική πυξίδα», δήλωσε ο καθηγητής Xiao, ο αντίστοιχος συγγραφέας αυτής της ερευνητικής εργασίας. "Αντί να ρυθμίσετε τις συσκευές με δοκιμή και σφάλμα, μπορείτε να χρησιμοποιήσετε έναν κανόνα κλιμάκωσης για να προβλέψετε πώς η αλλαγή της ταχύτητας ελέγχου επηρεάζει τον χρόνο απόκρισης-και να κατανοήσει πού ορίζονται οι φθίνουσες αποδόσεις."
Για εφαρμογές, αυτό το εύρημα μπορεί να εμπνεύσει τα επαναδιαμορφώσιμα μικρολέιζερ που πρέπει να αλλάζουν γρήγορα καταστάσεις λειτουργίας για τη φωτονική στο τσιπ{{0}, καθώς και τα συζευγμένα δίκτυα λέιζερ που προτείνονται για βελτιστοποίηση και αναλογικό υπολογισμό, όπου πολλοί κόμβοι πρέπει να αλλάζουν αξιόπιστα και γρήγορα. Για τη θεμελιώδη επιστήμη, το αποτέλεσμα παρέχει ένα σπάνιο, καθαρό πειραματικό σημείο αναφοράς για κρίσιμη δυναμική χωρίς ισορροπία σε ένα ανοιχτό, μη{2}}ερμιτικό περιβάλλον-έναν χώρο όπου οι κλασικές ιδέες σχετικά με τις μεταβάσεις φάσεων πρέπει να επανεξεταστούν και να δοκιμαστούν.
