Modern teknolojiler, talep üzerine yeniden yapılandırılabilen ışık kaynaklarına giderek daha fazla güveniyor. Optik çipin sinyalleri yönlendirebilmesi, hesaplamalar yapabilmesi veya gerçek zamanlı olarak değişen koşullara uyum sağlayabilmesi için-bir arabanın vites değiştirmesine benzer şekilde-farklı çalışma durumları arasında hızla geçiş yapabilen mikrolazerleri düşünün. Mikrolazerle geçiş sorunsuz ve yavaş bir süreç değildir ancak ani ve hızlı olabilir. Genel olarak, neredeyse aynı "aday" lazer durumları bir mikro boşlukta birbirleriyle rekabet eder ve lazer, dış koşullar ayarlandığında aniden bir durumdan diğerine atlayabilir.
Bu durum pratik bir soruyu gündeme getiriyor: Prensipte böyle bir geçiş ne kadar hızlı olabilir? Fizikçiler için bu daha derin bir soruyu gündeme getiriyor: Geçiş, doğadaki diğer faz geçişleri gibi evrensel bir kurala mı uyuyor?
Pekin Üniversitesi'ndeki bir ekip, artık ultra yüksek-kaliteli bir mikro boşluklu lazerin-lazerin son derece basit bir güç-yasası kuralını izleyen bir durum geçişini tamamlaması için gereken sürenin net bir resmini sundu. Kontrol düğmesi daha hızlı çevrildiğinde, anahtar daha hızlı olur-ancak bu rastgele değildir. Bunun yerine, anahtarlama süresi, yarıya yakın sağlam bir üsse karşılık gelen, tarama hızının kareköküyle orantılı olarak azalır. Bu sonuç, bu tür mikrolazerlerin ne kadar hızlı "vites değiştirebileceği" konusunda etkin bir hız sınırı belirliyor. Bulgular şu adreste yayınlanıyor:Fiziksel İnceleme Mektupları.
Lazer anahtarı nasıl kontrol edilir?
Ultra yüksek-Q boşluğunda, fotonlar dışarı sızmadan önce milyonlarca kez dolaşırlar; bu da ışık-madde etkileşimlerini büyük ölçüde artırır ve düşük-eşikli lazere olanak tanır. Şimdiye kadar çoğu çalışma, lazerin hangi duruma geldiğini söyleyebiliyordu, ancak geçiş sürecinin kendisini (lazerin bir durumdan çıkıp diğerine yerleştiği kısa geçici durumu) yakalamak çok daha zordu. Bu geçici olay nanosaniyelik zaman ölçeklerinde ortaya çıkabilir ve bu, gürültü ve dağıtımın merkezi rol oynadığı, sürekli çalışan ve enerji kaybeden açık bir sistemde gerçekleşir.
Ekip, bunu çözmek için temiz ve programlanabilir bir şekilde ayarlanabilen bir mikro-lazer platformu oluşturdu. Lazer, saat yönünde ve saat yönünün tersine dalgaların birleşip zıt simetrilere sahip iki rakip duran-dalga durumu (iki "süper mod") oluşturabildiği, yalnızca onlarca mikrometre çapında-Q silika mikroküresinde-üretilir.
Ana fikir, lazer ışığının küçük bir kısmını tekrar boşluğa yeniden enjekte eden bir geri bildirim döngüsü eklemekti. Araştırmacılar, yeniden enjekte edilen bu ışığın fazını kontrol ederek, girişimin belirli süper modları güçlendirmesini veya zayıflatmasını sağlayabilirler. Aslında, bu aşama kontrolü, sistemin bir durumun diğerine tercih edildiği kritik nokta boyunca kaydırılabilmesi için -tahterevalliyi ayarlamak gibi- iki rakip sürekli durum arasındaki kayıp dengesini ayarlamalarına olanak tanır. Bu açıkça "-Hermiteci olmayan" bir kontrol biçimidir: yalnızca rezonans frekanslarını değiştirmek yerine, hangi devletin kazanacağını belirleyen kazanç-kayıp manzarasını doğrudan yeniden şekillendirir.
Anahtarı gerçek zamanlı olarak filme almak
Anahtarı kontrol etmek hikayenin yalnızca yarısıdır-kaydetmek ise diğer yarısıdır. Ekip bir radyo-frekansı (RF) vuruşu-not yöntemini kullandı: Lazer çıkışını kararlı bir referansla karıştırdılar ve ortaya çıkan RF sinyalini zaman içinde izlediler. Bu, ultra hızlı optik değişiklikleri ölçülebilir elektrik sinyallerine dönüştürerek araştırmacıların, 10 nanosaniyenin altındaki zaman çözünürlüğüyle geçiş sırasında lazer durumunun nasıl geliştiğini yeniden yapılandırmasına olanak tanır.
Basit kural: Güç ölçeklendirmesi
Geçici durum görünür hale geldiğinde doğal bir deney mümkün hale gelir: anahtarlama protokolünü birçok kez tekrarlayın, ancak kontrol düğmesini farklı hızlarda kaydırın. Ekip daha sonra her geçiş olayından iyi-tanımlanmış bir geçiş süresi çıkardı. Sonuç çarpıcıydı: geniş bir tarama hızı aralığında geçiş süresi sağlam bir güç yasasını takip ediyor. Daha hızlı taramalar daha hızlı geçişe yol açar, ancak iyileşme öngörülebilir bir şekilde yavaşlar.
Niceliksel olarak, anahtarlama süresi yaklaşık olarak tarama hızının ters karekökü kadar ölçeklenir ve bu da 0,5'e yakın bir üsse karşılık gelir. Aynı davranış, birleştirilmiş-boşluklu lazer ağları ile ilgili çalışmalarda da ortaya çıkıyor; bu, kuralın tek bir cihazın kırılgan bir özelliği olmadığını, bunun yerine tahrikli, enerji tüketen fotonik sistemlerde dengesiz anahtarlamanın daha geniş bir ilkesini yansıttığını öne sürüyor.
Bu araştırma çalışmasının ilgili yazarı Prof. Xiao, "Evrensel ölçeklendirme yasaları değerlidir çünkü mühendislere ve bilim adamlarına öngörülü bir pusula sağlarlar" dedi. "Cihazları deneme yanılma yoluyla ayarlamak yerine, kontrol hızı değişiminin yanıt süresini nasıl etkileyeceğini tahmin etmek-ve azalan getirilerin nerede başladığını anlamak için bir ölçeklendirme kuralı kullanılabilir."
Uygulamalar için bu bulgu, çip üzerinde fotonik için çalışma durumlarını hızlı bir şekilde değiştirmesi gereken yeniden yapılandırılabilir mikrolazerlere ve ayrıca birçok düğümün güvenilir ve hızlı bir şekilde geçiş yapması gereken optimizasyon ve analog hesaplama için önerilen birleşik lazer ağlarına ilham verebilir. Temel bilim açısından sonuç, faz geçişleriyle ilgili klasik fikirlerin yeniden düşünülmesi ve test edilmesi gereken açık, -Hermityen olmayan bir ortamda-bir arenada denge dışı kritik dinamikler için nadir, temiz bir deneysel kıyaslama sağlar.
