Ученые из UCF разработали новый эмулятор, который показывает поведение света в сложных развивающихся системах
Ученые из Университета Центральной Флориды впервые раскрыли тонкости поведения света в передовых динамических оптических системах с конфигурациями, известными как неэрмитовые схемы. В неэрмитовых системах допустимые значения энергии создают самопересекающиеся поверхности с уникальной топологией и точками ветвления, которые известны как исключительные точки . Поверхности пересекаются друг с другом в изгибе, обозначенном исключительной точкой.
Команда обнаружила, что топология энергетической поверхности в неэрмитовой системе играет большую роль в поведении света в эволюционирующей во времени системе, чем строгая обмотка вокруг исключительной точки. Это включает в себя такие поведения, как хиральная передача состояния, при которой выходное состояние привязано к направлению намотки по часовой стрелке или против часовой стрелки.
Полученные результаты могут стимулировать разработку новых механизмов управления светом и обещают серьезные последствия для таких технологий, как миниатюрные и надежные лазеры и высокоточные датчики на основе света. Исследователи сделали свои наблюдения, создав новый многогранный фотонный эмулятор, который позволил им отслеживать эволюцию импульсного лазерного излучения в системе, когда оно медленно изменяется по замкнутому пути вблизи исключительной точки.
«Реализованная платформа оптической эмуляции может использоваться для моделирования некоторых из самых сложных физических явлений в природе», — говорит соавтор исследования Мерседе Хаджавихан , профессор физики, электротехники и вычислительной техники в Университете Южной Калифорнии .
Экспериментальные наблюдения бросают вызов предыдущим демонстрациям, но подтверждают недавние теоретические предсказания Хаджавихана и соавтора исследования Деметриоса Христодулидеса, председателя семьи Кобб и профессора оптики Pegasus в CREOL-Колледже оптики и фотоники Университета Центральной Флориды . Их предсказания показали, что выход неэрмитовой оптической системы — независимо от ее входа — направляется в одно из двух предопределенных состояний, в зависимости от направления, в котором замкнутая траектория динамически проходит вблизи или вокруг исключительной точки.
«В других исследованиях рассматривалось только то, что происходит на входе и выходе системы», — говорит ведущий автор исследования Хадисех Насари , научный сотрудник Университета Южной Калифорнии и CREOL-Колледжа оптики и фотоники UCF , где проводилась работа. было выполнено. «Они не могли видеть, что происходит в ходе процесса. Наш эмулятор довольно универсален с точки зрения возможности реального мониторинга и изучения динамики неэрмитовых систем вблизи исключительной точки», — говорит она.
Христодулидис говорит, что фундаментальная работа является важным шагом на пути к использованию потенциала этих систем. «Получив лучшее понимание физики, лежащей в основе неэрмитовых систем, мы сможем проектировать вариации потери и усиления энергии, необходимые для реализации интегрированных, но эффективных и мощных оптических технологий», — говорит Христодулидес .
Хаджавихан отмечает технические навыки, которые были необходимы для проведения исследования, и возможности будущих исследований, которые оно открывает. «Эту сложную работу возглавили три постдока и аспирантки — Хадисе, Гизела Лопес-Галмиче и Хелена Э. Лопес-Авилес, — говорит Хаджавихан . «Их работа открывает новые горизонты исследований в использовании фотонных платформ для имитации сложных систем. По сути, они построили очень мощный оптический аналоговый компьютер».
Лопес-Гальмиш был постдокторантом CREOL , а Лопес-Авилес является выпускником докторской программы CREOL. Среди соавторов исследования также был Александр Шумер , аспирантИнститут теоретической физики Венского технологического университетав Австрии и Ming Hsieh Факультет электротехники и вычислительной техники Университета Южной Калифорнии; Абсар У. Хассан и Ци Чжун , ученые -исследователи CREOL ; Стефан Роттер , профессор теоретической физики Института теоретической физики Венского технологического университета в Австрии; и Патрик ЛиКамва , заместитель декана по академическим программам и профессор оптики и фотоники CREOL и факультета электротехники и вычислительной техники UCF .
Исследование финансировалось Управлением научных исследований ВВС, Агентством перспективных исследовательских проектов Министерства обороны , Управлением военно-морских исследований , Инициативой многопрофильных университетских исследований Министерства обороны США , Управлением армейских исследований , Национальным научным фондом США , MPS Simons . сотрудничество , Исследовательская лаборатория ВВС США , Австрийский научный фонд и грант Европейской комиссии .