Usando lasers de modo bloqueado para realizar e estudar física topológica não-Hermitiana
NHSE orientado por não linearidade em um laser bloqueado em modo topológico. a, Representação esquemática da parede do domínio NH-SSH implementada na rede sintética do nosso laser de modo bloqueado. b, Mapa de calor da saída do nosso laser bloqueado em modo em mais de 500 viagens de ida e volta. Os pulsos são ampliados para maior visibilidade. c, Padrão de pulso de modo bloqueado em nosso laser de modo bloqueado topológico. Crédito:Física da Natureza (2024). DOI:10.1038/s41567-024-02420-4 Lasers de modo bloqueado são lasers avançados que produzem pulsos de luz muito curtos, com durações que variam de femtossegundos a picossegundos. Esses lasers são amplamente utilizados para estudar fenômenos ópticos ultrarrápidos e não lineares, mas também se mostraram úteis para diversas aplicações tecnológicas.
Pesquisadores do Instituto de Tecnologia da Califórnia exploraram recentemente o potencial dos lasers de modo bloqueado como plataformas para estudar fenômenos topológicos. O artigo deles, publicado na Nature Physics , descreve o potencial desses lasers para estudar e realizar novas físicas topológicas não-Hermitianas, com várias aplicações potenciais.
“A ideia de utilizar robustez topológica e proteção topológica para dispositivos fotônicos atraiu atenção substancial na última década, mas ainda não está claro se tais comportamentos podem fornecer benefícios práticos substanciais”, disse Alireza Marandi, principal autor do artigo, ao Phys.org.
"Temos explorado esta questão especificamente para lasers e dispositivos fotônicos não lineares, onde as funcionalidades são inerentemente não lineares. Aliás, o campo da física topológica também está evoluindo em torno da interação entre topologia e não linearidade e as plataformas experimentais para tais explorações são relativamente escassas."
O objetivo do estudo recente de Marandi e seus colegas era duplo. Por um lado, desejavam abrir novas oportunidades para o estudo de comportamentos topológicos não lineares, enquanto, por outro, desejavam ampliar a aplicação prática da física topológica em lasers com modo bloqueado.
“Do ponto de vista experimental, nossa plataforma é uma rede ressonadora multiplexada no tempo, composta por muitos pulsos sincronizados em um ressonador longo”, explicou Marandi. "Os pulsos podem ser acoplados entre si de maneira controlável, usando linhas de atraso precisas. Isso nos permite criar uma rede programável de ressonadores de grande escala com flexibilidade substancial. Isso não é fácil em outras plataformas."
Num artigo anterior publicado em 2022, os investigadores exploraram fenómenos topológicos em ressonadores fotónicos de grande escala, mas especificamente no regime linear. Como parte de seu novo estudo, eles usaram os mesmos ressonadores para implementar lasers acoplados com modo bloqueado.
Ilustração artística do conceito de comportamento topológico de uma rede ressonadora fotônica pulsada. Crédito:Nicolle R. Fuller, Sayo Studio.
A equipe mostrou que o padrão de pulso produzido por esses lasers pode se beneficiar de fenômenos não-Hermitianos e topológicos. Essencialmente, eles criaram um laser de cavidade longa, multipulsos e com modo bloqueado e introduziram um nó dentro dele (ou seja, acoplando seus pulsos de maneira topológica).
"A flexibilidade da nossa abordagem experimental permitiu-nos estudar a intersecção da topologia e do bloqueio do modo laser e realizar física topológica não-Hermitiana que não tinha sido demonstrada anteriormente em sistemas fotónicos", disse Marandi.
"Por exemplo, descobrimos que a sinergia entre a topologia não-Hermitiana e a dinâmica não linear do nosso sistema produziu espontaneamente modos de pele em nosso laser de modo bloqueado. Isso contrasta fortemente com os sistemas topológicos lineares não-Hermitianos, onde os modos de pele devem ser testados com uma fonte externa."
Este trabalho recente de Marandi e seus colaboradores demonstra a promessa dos lasers de modo bloqueado para o estudo da física topológica que até agora tem sido difícil de acessar experimentalmente. Além disso, seu estudo poderia inspirar o uso de lasers de modo bloqueado para o desenvolvimento de novas tecnologias de detecção, computação e comunicação.
Além disso, em seus experimentos, os pesquisadores usaram o laser que desenvolveram para confirmar a robustez de um modelo matemático usado para estudar o comportamento de partículas em movimento aleatório, conhecido como modelo Hatano-Nelson, contra a localização induzida por desordem. Embora este modelo tenha sido amplamente estudado antes, ele ainda não havia sido demonstrado em uma plataforma fotônica de modo bloqueado.
"Específico para esta realização, exploramos ainda mais a robustez do modelo Hatano-Nelson contra a localização induzida por desordem e como ele pode permitir o projeto de fontes robustas de pente de frequência", disse Marandi. "Normalmente, esse tipo de robustez contra alguma coisa é seguido por sensibilidade a outra coisa."
Em seus próximos estudos, Marandi e seus colegas tentarão usar sua abordagem para investigar o uso do modelo Hatano-Nelson como um sensor com sensibilidade aprimorada. Além disso, eles esperam que seu estudo inspire outras equipes a experimentar o uso de lasers de modo bloqueado para estudar fenômenos físicos topológicos.
“Também acreditamos que nossa plataforma pode ser um terreno fértil para explorar um grande conjunto de fenômenos topológicos não-lineares e não-Hermitianos que não são facilmente acessíveis”, acrescentou Marandi. "Um exemplo que nos interessa é a interação da formação de sólitons e comportamentos topológicos."
