Teknologi moden semakin bergantung pada sumber cahaya yang boleh dikonfigurasikan semula atas permintaan. Fikirkan mikrolaser yang boleh bertukar dengan cepat antara keadaan pengendalian yang berbeza-sama seperti kereta menukar gear-supaya cip optik boleh menghalakan isyarat, melakukan pengiraan atau menyesuaikan diri dengan perubahan keadaan dalam masa nyata. Pensuisan mikrolaser bukanlah proses yang lancar dan santai, tetapi boleh berlaku secara tiba-tiba dan pantas. Secara amnya, keadaan pengikat "calon" yang hampir sama bersaing antara satu sama lain dalam rongga mikro, dan laser boleh melompat secara tiba-tiba dari satu keadaan ke keadaan lain apabila keadaan luaran ditala.
Ini menimbulkan persoalan praktikal: Seberapa pantas suis sedemikian, pada dasarnya? Bagi ahli fizik, ia menimbulkan yang lebih mendalam: Adakah penukaran mengikut peraturan sejagat, seperti peralihan fasa lain dalam alam semula jadi?
Pasukan di Universiti Peking kini telah memberikan gambaran yang jelas tentang -laser rongga mikro berkualiti tinggi-masa laser perlu melengkapkan suis keadaan mengikut peraturan undang-undang-kuasa yang sangat mudah. Apabila tombol kawalan disapu lebih pantas, suis menjadi lebih laju-tetapi bukan sewenang-wenangnya. Sebaliknya, masa penukaran berkurangan dengan punca kuasa dua kelajuan sapuan, sepadan dengan eksponen teguh hampir separuh. Keputusan ini secara berkesan menetapkan had laju untuk seberapa cepat mikrolaser sedemikian boleh "menukar gear." Penemuan diterbitkan dalamSurat Semakan Fizikal.
Bagaimana untuk mengawal suis laser?
Dalam rongga-Q ultratinggi, foton beredar berjuta-juta kali sebelum bocor, yang sangat meningkatkan interaksi jirim cahaya dan mendayakan -pengikat ambang rendah. Sehingga kini, kebanyakan kajian dapat mengetahui keadaan laser berakhir di mana, tetapi adalah lebih sukar untuk menangkap proses pensuisan itu sendiri-peringkat sementara di mana laser meninggalkan satu keadaan dan mengendap ke keadaan yang lain. Sementara itu boleh terungkap pada skala masa nanosaat, dan ia berlaku dalam sistem terbuka yang sentiasa didorong dan kehilangan tenaga, di mana hingar dan pelesapan memainkan peranan utama.
Untuk menyelesaikannya, pasukan membina platform laser-mikro yang boleh ditala dengan cara yang bersih dan boleh diprogramkan. Laser dijana dalam-mikrosfera silika Q ultratinggi-hanya berpuluh-puluh mikrometer merentasi-di mana gelombang mengikut arah jam dan lawan jam boleh berganding dan membentuk dua keadaan gelombang berdiri-yang bersaing (dua "mod super") dengan simetri bertentangan.
Idea utama ialah menambah gelung maklum balas yang menyuntik semula sebahagian kecil cahaya laser ke dalam rongga. Dengan mengawal fasa cahaya yang disuntik semula ini, para penyelidik boleh membuat gangguan sama ada menguatkan atau melemahkan mod super tertentu. Sebenarnya, kawalan fasa ini membolehkan mereka menala imbangan kerugian antara dua keadaan pengikat yang bersaing-seperti melaraskan jongkang-jongket-supaya sistem boleh dihanyutkan merentasi titik kritikal di mana satu keadaan menjadi lebih disukai berbanding keadaan yang lain. Ini ialah satu bentuk kawalan yang jelas "bukan-Pertapa": bukannya mengalihkan frekuensi resonans sahaja, ia secara langsung membentuk semula landskap untung-rugi yang mengawal negeri mana yang menang.
Merakam suis dalam masa nyata
Mengawal suis hanya separuh daripada cerita-merakamnya ialah separuh lagi. Pasukan ini menggunakan kaedah nota-frekuensi (RF) radio-: Mereka mencampurkan output laser dengan rujukan yang stabil dan menjejak isyarat RF yang terhasil dari semasa ke semasa. Ini menukarkan perubahan optik ultra-pantas kepada isyarat elektrik yang boleh diukur, membolehkan para penyelidik membina semula bagaimana keadaan laser berkembang semasa suis dengan resolusi masa sub-10-nanosaat.
Peraturan mudah: Penskalaan kuasa
Sebaik sahaja sementara kelihatan, percubaan semula jadi menjadi mungkin: ulangi protokol pensuisan berkali-kali, tetapi sapu tombol kawalan pada kelajuan yang berbeza. Pasukan itu kemudiannya mengekstrak masa peralihan-yang jelas daripada setiap peristiwa penukaran. Hasilnya adalah menarik: merentasi julat luas kelajuan sapuan, masa peralihan mengikut undang-undang kuasa yang teguh. Sapuan yang lebih pantas membawa kepada pensuisan yang lebih pantas, tetapi peningkatan itu perlahan dengan cara yang boleh diramalkan.
Secara kuantitatif, masa pensuisan berskala kira-kira sebagai punca kuasa dua songsang bagi kelajuan sapuan, sepadan dengan eksponen yang hampir kepada 0.5. Tingkah laku yang sama turut muncul dalam kajian rangkaian laser rongga-ganding, mencadangkan peraturan itu bukanlah ciri rapuh bagi satu peranti, sebaliknya mencerminkan prinsip pensuisan bukan keseimbangan yang lebih luas dalam sistem fotonik pelesapan yang didorong.
"Undang-undang penskalaan sejagat adalah berharga kerana ia memberi jurutera dan saintis kompas ramalan," kata Prof. Xiao, pengarang yang sepadan bagi kerja penyelidikan ini. "Daripada menala peranti melalui percubaan dan kesilapan, seseorang boleh menggunakan peraturan penskalaan untuk menjangka cara perubahan kelajuan kawalan mempengaruhi masa tindak balas-dan untuk memahami di mana pulangan berkurangan ditetapkan."
Untuk aplikasi, penemuan ini mungkin memberi inspirasi kepada mikrolaser boleh dikonfigurasikan semula yang mesti menukar keadaan operasi dengan pantas untuk-fotonik cip dan juga rangkaian laser berganding yang dicadangkan untuk pengoptimuman dan pengkomputeran analog, di mana banyak nod mesti bertukar dengan pasti dan pantas. Untuk sains asas, hasilnya menyediakan penanda aras percubaan yang jarang dan bersih untuk dinamik kritikal bukan keseimbangan dalam suasana terbuka, bukan-Pertapaan-arena tempat idea klasik tentang peralihan fasa mesti difikirkan semula dan diuji.
