A formação de sólitons de lacuna em uma rede topológica dissipativa 1D

Imagem de microscopia eletrônica de varredura mostrando uma cadeia de cavidades de semicondutores. A distância entre as cavidades é modulada, o que dá origem a dois valores diferentes do acoplamento J e J' entre cavidades adjacentes (representadas esquematicamente por setas brancas duplas). Esta modulação do acoplamento confere à rede propriedades topológicas. Duas cavidades da rede são excitadas por dois lasers de amplitude F, frequência angular e apresentando uma diferença de fase. Crédito:C2N/CNRS.

A fotônica topológica é uma área de pesquisa em rápida evolução que se concentra no projeto de redes fotônicas onde o comportamento da luz é inspirado na física dos isolantes topológicos. Enquanto a maioria dos estudos nesta área apresenta sistemas fotônicos com propriedades topológicas lineares, trabalhos recentes começaram a pavimentar as bases da fotônica topológica não linear.
Pesquisadores da Université Paris-Saclay CNRS relataram recentemente a resposta não linear de uma rede topológica que implementa uma versão dissipativa dirigida do modelo Su-Schrieffer-Heeger; uma renomada estrutura topológica elementar que descreve partículas saltando em uma rede 1D. As descobertas reunidas pela equipe da Université Paris-Saclay CNRS, publicadas em Nature Physics , mostram que a condução coerente em redes topológicas pode ser explorada, permitindo que os físicos estabilizem novas fases não lineares.

“Em 2017, nosso grupo demonstrou o primeiro laser topológico usando uma rede 1D de ressonador semicondutor muito semelhante ao usado em nosso estudo recente”, disseram Sylvain Ravets e Jacqueline Bloch, duas das pesquisadoras que realizaram o estudo, ao Phys.org . "Neste trabalho inicial, no entanto, estávamos usando as propriedades topológicas lineares do sistema."

O estudo recente de Ravets, Bloch e seus colegas se baseia em seus esforços de pesquisa anteriores, com o objetivo de estender sua investigação à física topológica não linear, que até agora tem sido explorada principalmente no contexto de sistemas conservativos. Em seus experimentos, os pesquisadores usaram uma plataforma com uma não linearidade óptica significativa, que é submetida a acionamento e dissipação contínuos.

"Usamos nanotecnologias para fabricar uma rede 1D de ressonadores não lineares acoplados", explicaram Ravets e Bloch. "Cada ressonador consiste em uma cavidade óptica contendo um meio ativo (um poço quântico semicondutor), que fornece a não-linearidade. O acoplamento entre cavidades vizinhas é escalonado para implementar o modelo topológico mais simples, conhecido como modelo Su Schrieffer Heger."

A ilustração da nova família de sólitons dissipativos descobertos pelos pesquisadores para o perfil de intensidade medido de tal sóliton é mostrada na parte superior da figura. A intensidade é muito forte em um único sítio, levando assim à dessintonização espectral deste sítio em relação ao resto da cadeia. A cadeia é assim efetivamente quebrada e um estado de borda aparece no espectro de excitação, conforme mostrado na parte inferior da figura. Crédito:C2N/CNRS.

Para desencadear uma resposta não linear em sua estrutura 1D, Ravets, Bloch e seus colegas lançaram um ou dois feixes de laser em partes específicas da estrutura. Posteriormente, eles monitoraram a intensidade transmitida em função da potência do laser de entrada.

"Um botão particularmente relevante que usamos em nosso experimento é a fase relativa entre os feixes de excitação, que fornece um novo nível de controle que não havia sido considerado até agora", disseram Ravets e Bloch.

Os experimentos realizados pelos pesquisadores produziram resultados novos e interessantes. Especificamente, a equipe descobriu a formação de novas famílias de sólitons de lacuna, que são estabilizadas pela excitação ressonante. Esses sólitons de gap não existem em sistemas conservadores, como guias de ondas acoplados operando em geometrias propagativas.

"Esses sólitons têm o mesmo perfil de um estado de borda topológico e, na verdade, induzem o aparecimento de um estado de borda topológico para excitações no topo do estado estacionário não linear. Gostamos de chamar essa capacidade de controlar o sistema através da engenharia da excitação do laser esquema de 'engenharia de direção'", disseram Ravets e Bloch.

O estudo recente de Ravets, Bloch e seus colegas destaca a possibilidade de explorar a condução coerente para estabilizar fases não lineares em sistemas fotônicos topológicos. No futuro, os métodos experimentais descritos em seu artigo podem ser usados para controlar a topologia de sistemas fotônicos 1D e também podem ser estendidos para sistemas 2D.

"Em nosso próximo estudo, planejamos estender essas ideias para isoladores topológicos fotônicos em treliças 2D, onde nosso objetivo será demonstrar a capacidade de controlar opticamente a topologia de uma treliça fotônica não linear por meio da engenharia do drive e da dissipação", disse. Ravets e Bloch adicionados. + Explorar mais