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光子Floquet-Bloch振荡的视觉观察

期刊:Light: Science & ApplicationsDOI:10.1038/s41377-024-01419-z

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研究作者与机构
本研究由Zhen Zhang、Yuan Li、Xiankai Sun和Xuewen Shu共同完成。Zhen Zhang和Xuewen Shu来自华中科技大学武汉光电国家实验室和光学与电子信息学院,Yuan Li和Xiankai Sun来自香港中文大学电子工程系。该研究于2024年发表在《Light: Science & Applications》期刊上,文章编号为13:99,DOI为10.1038/s41377-024-01419-z。

学术背景
本研究属于光子学和凝聚态物理领域的交叉研究,聚焦于Floquet系统中的Bloch振荡(Bloch Oscillations, BOs)现象。Bloch振荡是量子粒子在恒定电场下的周期性运动,最初由Bloch和Zener在晶体中预测,并在半导体超晶格和超冷原子中首次观测到。近年来,Bloch振荡被扩展到声学腔、波导阵列和合成频率晶格等多种波系统中。然而,在周期性驱动的Floquet系统中,Bloch振荡的研究仍处于探索阶段,尤其是其独特的特性尚未被完全揭示。本研究旨在提出并首次实验观测一种新型的Bloch振荡现象——光子Floquet-Bloch振荡(Photonic Floquet-Bloch Oscillations, FBOs),并探讨其在光子学、凝聚态物理和量子物理中的潜在应用价值。

研究流程
本研究主要包括以下几个步骤:
1. 理论构建
- 研究者提出了光子Floquet-Bloch振荡的理论框架,并将其定义为Bloch振荡的广义形式,其周期为调制周期(λfl)和Bloch振荡周期(λbo)的最小公倍数(LCM)。
- 通过光子类比(Photonic Analogy),研究者将Floquet系统中的时间演化映射到波导阵列中的空间光演化,从而实现了对Floquet-Bloch振荡的模拟。
- 研究者推导了Floquet-Bloch振荡的周期和振幅的数学表达式,并预测了其分形谱(Fractal Spectrum)和分数Floquet隧穿(Fractional Floquet Tunneling)等独特性质。

  1. 实验设计

    • 研究者设计并制备了基于飞秒激光写入技术的光子Floquet晶格,晶格由31个相同的波导组成,波导间距为16微米,样品长度为90毫米。
    • 通过引入周期性调制轨迹,研究者实现了Floquet工程(Floquet Engineering),并在实验中观察到了Floquet-Bloch振荡的呼吸模式和振荡模式。
  2. 实验观测

    • 研究者采用波导荧光显微镜(Waveguide Fluorescence Microscopy)技术,首次直接观测到了Floquet-Bloch振荡的连续演化过程。
    • 实验验证了Floquet-Bloch振荡的分形谱和分数Floquet隧穿特性,并发现其振幅遵循分数阶Anger函数和Weber函数的线性组合。
  3. 数据分析

    • 研究者通过定量分析实验数据,验证了理论预测的Floquet-Bloch振荡周期和振幅的依赖关系。
    • 通过对不同调制周期和振幅的实验结果进行比较,研究者揭示了Floquet-Bloch振荡与现有Bloch振荡(如准Bloch振荡和超Bloch振荡)之间的深刻联系。

主要结果
1. 理论结果
- 研究者提出了Floquet-Bloch振荡的广义理论,并证明了其周期为调制周期和Bloch振荡周期的最小公倍数。
- 理论预测了Floquet-Bloch振荡的分形谱和分数Floquet隧穿特性,并揭示了其与现有Bloch振荡的统一性。

  1. 实验结果
    • 实验首次直接观测到了Floquet-Bloch振荡的连续演化过程,验证了其呼吸模式和振荡模式的存在。
    • 实验验证了Floquet-Bloch振荡的分形谱特性,并发现其周期对调制周期和Bloch振荡周期的比值具有超敏感性。
    • 实验证实了Floquet-Bloch振荡的分数Floquet隧穿特性,并发现其振幅遵循分数阶函数的线性组合。

结论与意义
本研究首次提出并实验观测了光子Floquet-Bloch振荡,揭示了其在Floquet系统中的独特性质,包括分形谱和分数Floquet隧穿。这一研究不仅深化了对Floquet系统中Bloch振荡的理解,还为光子学、凝聚态物理和量子物理中的波操控提供了新的方法。Floquet-Bloch振荡的超敏感性和分数隧穿特性可能在高效频率转换、精密测量和波操控等领域具有重要应用价值。此外,本研究为时空晶体(Space-Time Crystals)等前沿领域的研究提供了理论基础和实验支持。

研究亮点
1. 重要发现
- 首次提出并实验观测了光子Floquet-Bloch振荡,揭示了其分形谱和分数Floquet隧穿特性。
- 实验验证了Floquet-Bloch振荡与现有Bloch振荡的统一性,并揭示了其在Floquet系统中的独特性质。

  1. 方法创新

    • 采用飞秒激光写入技术和波导荧光显微镜技术,实现了对Floquet-Bloch振荡的高精度实验观测。
    • 通过光子类比,将Floquet系统中的时间演化映射到波导阵列中的空间光演化,为Floquet-Bloch振荡的研究提供了新的实验平台。
  2. 研究对象特殊

    • 本研究聚焦于Floquet系统中的Bloch振荡现象,揭示了其在周期性驱动系统中的独特性质,为光子学和凝聚态物理中的波操控提供了新的思路。

其他有价值的内容
本研究还探讨了Floquet-Bloch振荡在时空晶体中的潜在应用,并提出了其在高效频率转换和精密测量中的可能应用场景。此外,研究者通过实验验证了Floquet-Bloch振荡对不同调制函数的普适性,进一步拓展了其应用范围。


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