Os quanta básicos de luz (fóton) e som (fônon) são partículas bosônicas que obedecem a regras semelhantes e, em geral, são análogos entre si. Os físicos exploraram essa analogia em recentes investigações experimentais de um laser de fônon para fornecer insights sobre uma questão muito debatida de como um laser - ou mais especificamente, sua largura de linha - é afetada quando operado em um ponto excepcional (EP). Os pontos excepcionais são singularidades nas funções de energia de um sistema físico em que dois modos de luz se fundem (combinam em um modo) para produzir efeitos incomuns. Até recentemente, o conceito existia principalmente apenas na teoria, mas recebeu atenção renovada com demonstrações experimentais em sistemas ópticos, como lasers e estruturas fotônicas. Os estudos experimentais envolveram sistemas com simetria de paridade-tempo para ganho e perda equilibrada de material, para garantir uma intensidade de luz robusta, imune a retroespalhamento. Embora sistemas físicos fechados e sem perdas sejam descritos por operadores Hermitianos na física quântica, sistemas com fronteiras abertas que exibem pontos excepcionais (EPs) são não Hermitianos.

Os estudos experimentais do EP referem-se principalmente a tais sistemas simétricos de tempo de paridade que habilmente exploram a interação entre ganho e perda para permitir recursos inteiramente novos e inesperados. Em um salto conceitual, efeitos óticos incomuns produzidos nesses sistemas tornaram o meio invisível em uma direção, um passo em direção a materiais ópticos de última geração com propriedades únicas não vistas em materiais naturais. Tais conceitos deram início a intensos esforços de pesquisa para explorar sistemas não hermitianos tanto experimentalmente quanto teoricamente.

Antes que o primeiro laser fosse experimentalmente demonstrado, Schawlow e Townes calcularam o limite quântico fundamental para sua largura de linha; Os EPs são historicamente associados ao alargamento extremo da largura da linha do laser - além do limite fundamental de Schawlow-Townes. Embora os modelos teóricos tenham fornecido uma estrutura para calcular a largura de linha do laser, eles não conseguem resolver o problema diretamente no PE. Experimentalmente, não é fácil direcionar um laser diretamente para um EP, uma vez que os modos de laser fotônico se tornam instáveis ​​perto de um EP, causando lasing caótico que poderia ser erroneamente percebido como uma linha de laser extremamente ampla.

O que realmente acontece com a largura de linha quando um laser opera em um EP na prática permaneceu obscuro até agora. Compreender os mecanismos responsáveis ​​pela ampliação da largura de linha habilitará recursos de laser com novos recursos aos quais não tínhamos acesso antes. Zhang et al., fornecer uma nova estratégia elegante para lidar com este problema, conforme publicado em Nature Photonics , trabalhando com um laser de fônon em vez de sua contraparte óptica (fotônica), observar seu funcionamento em um ponto excepcional.

No estudo, lasers de fônons produzem oscilações sonoras coerentes (vibrações mecânicas) induzidas por bombeamento óptico, um conceito desenvolvido anteriormente por Grudinin, Vahala e colegas de trabalho, com características típicas de lasers de fótons. No presente experimento, os pesquisadores usaram um sistema optomecânico semelhante com dois microrressonadores acoplados em modo galeria silenciosa de sílica (verde e azul). O sistema composto fonon-laser foi direcionado para perto ou para longe de seu EP para observar o comportamento do lasing de fônon perto de um EP.

Para observar o alargamento da largura de linha, os físicos excitaram opticamente o modo mecânico do dispositivo experimental com luz de um laser sintonizável acoplado a um único microrressonador (verde) por meio de uma fibra cônica. Então, para direcionar o sistema para perto ou para longe de seu EP, eles introduziram perda adicional para o segundo microrressonador (azul) usando uma ponta de nanofibra de sílica revestida de cromo.

A interação entre ganho e perda foi explorada dessa maneira para sintonizar um fônon laser em um EP. O lasing fonônico é interpretado como um processo paramétrico de três ondas em que duas ondas são ópticas e a terceira onda é acústica ou mecânica. Zhang et al. forneceu evidências experimentais diretas para mostrar a sobreposição completa de supermodos ópticos em EP, e que o ruído óptico aprimorado por EP pode ser transferido diretamente para o ruído mecânico, levando ao aumento da largura de linha observada nos lasers de fônon.

Os benefícios práticos são fáceis de entender:as ondas sonoras se propagam a uma velocidade que é cerca de cinco ordens de magnitude menor que a velocidade da luz, e o comprimento de onda do som é, portanto, correspondentemente mais curto do que o da luz da mesma frequência. Este recurso pode permitir alta precisão, medições e imagens não destrutivas, bem como atingir uma alta concentração de energia com ondas sonoras focalizadas. O presente trabalho abre novas perspectivas para a relação entre ruído e física não hermitiana, com aplicações potenciais em campos relacionados, como tecnologias de processamento de sinal. O sistema pode ser usado como um dispositivo fonônico on-chip análogo a dispositivos fotônicos totalmente integrados para processamento de informações. Mais interessante, a plataforma estudada pode ampliar os insights em física não hermitiana, permitindo a detecção e controle de EPs em sistemas de dois ou vários níveis.

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