Les tecnologies modernes depenen cada cop més de fonts de llum que es poden reconfigurar a demanda. Penseu en els microlàsers que poden canviar ràpidament entre diferents estats de funcionament-com un cotxe que canvia de marxa-perquè un xip òptic pugui dirigir senyals, realitzar càlculs o adaptar-se a les condicions canviants en temps real. El canvi de microlàser no és un procés suau i pausat, però pot ser sobtat i ràpid. En general, els estats de làser "candidats" gairebé idèntics competeixen entre ells en una microcavitat, i el làser pot saltar bruscament d'un estat a un altre quan s'ajusten les condicions externes.
Això planteja una pregunta pràctica: quina velocitat pot ser, en principi, aquest canvi? Per als físics, en planteja una de més profunda: el canvi segueix una regla universal, com altres transicions de fase a la natura?
Un equip de la Universitat de Pequín ha proporcionat ara una imatge clara d'un làser de microcavitat de-qualitat ultraalta-el temps que el làser necessita per completar un canvi d'estat segueix una regla de potència-extraordinàriament simple. Quan el botó de control es mou més ràpidament, l'interruptor es fa més ràpid-però no arbitràriament. En canvi, el temps de commutació disminueix amb l'arrel quadrada de la velocitat d'escombrat, corresponent a un exponent robust proper a la meitat. Aquest resultat estableix efectivament un límit de velocitat per a la rapidesa amb què aquests microlàsers poden "canviar de marxa". Les troballes es publiquen aCartes de revisió física.
Com controlar l'interruptor làser?
En una cavitat d'-Q ultraalta, els fotons circulen milions de vegades abans de filtrar-se, cosa que millora molt les interaccions llum-matèria i permet un llindar làser de baix-. Fins ara, la majoria dels estudis podien dir en quin estat va acabar el làser, però era molt més difícil capturar el propi procés de commutació-el breu transitori on el làser deixa un estat i s'instal·la en un altre. Aquest transitori pot desenvolupar-se en escales de temps de nanosegons, i passa en un sistema obert que s'impulsa constantment i perd energia, on el soroll i la dissipació tenen un paper central.
Per solucionar-ho, l'equip va crear una plataforma micro-làser que es pot ajustar d'una manera neta i programable. El làser es genera en una microesfera de sílice-Q ultraalta-de només desenes de micròmetres-on les ones en sentit horari i antihorari poden acoblar-se i formar dos estats d'ones estacionàries-competidores (dos "supermodes") amb simetries oposades.
La idea clau era afegir un bucle de retroalimentació que reinjectés una petita part de la llum làser a la cavitat. En controlar la fase d'aquesta llum reinjectada, els investigadors podrien fer que la interferència enfortís o debiliti supermodes específics. En efecte, aquest control de fase els permet ajustar el balanç de pèrdues entre els dos estats de làser competidors-com ajustar un balancí-per tal que el sistema es pugui escombrar pel punt crític on un estat es veu afavorit per sobre de l'altre. Aquesta és una forma de control clarament "no-hermitiana": en lloc de canviar només les freqüències de ressonància, remodela directament el panorama de guany-pèrdua que governa quin estat guanya.
Filmant l'interruptor en temps real
Controlar l'interruptor és només la meitat de la història-enregistrar-lo és l'altra meitat. L'equip va utilitzar un mètode de ritme de ràdio-freqüència (RF)-: van barrejar la sortida del làser amb una referència estable i van fer un seguiment del senyal de RF resultant al llarg del temps. Això converteix els canvis òptics ultra ràpids en senyals elèctrics mesurables, cosa que permet als investigadors reconstruir com evoluciona l'estat del làser durant l'interruptor amb una resolució de temps inferior a 10 nanosegons.
La regla simple: una escala de potència
Una vegada que el transitori és visible, es fa possible un experiment natural: repeteix el protocol de commutació moltes vegades, però escombra el botó de control a diferents velocitats. A continuació, l'equip va extreure un temps de transició-ben definit de cada esdeveniment de canvi. El resultat va ser sorprenent: en una àmplia gamma de velocitats d'escombrat, el temps de transició segueix una llei de potència robusta. Els escombrats més ràpids condueixen a un canvi més ràpid, però la millora s'alenteix d'una manera previsible.
Quantitativament, el temps de commutació s'escala aproximadament com l'arrel quadrada inversa de la velocitat d'escombrat, corresponent a un exponent proper a 0,5. El mateix comportament també apareix en estudis de xarxes làser de-cavitat acoblada, cosa que suggereix que la regla no és una característica fràgil d'un dispositiu, sinó que reflecteix un principi més ampli de commutació sense equilibri en sistemes fotònics dissipatius impulsats.
"Les lleis d'escala universal són valuoses perquè proporcionen als enginyers i als científics una brúixola predictiva", va dir el professor Xiao, l'autor corresponent d'aquest treball de recerca. "En lloc d'ajustar els dispositius per prova i error, es pot utilitzar una regla d'escala per anticipar com el canvi de velocitat de control afecta el temps de resposta-i per entendre on s'estableixen els rendiments decreixents".
Per a les aplicacions, aquesta troballa pot inspirar els microlàsers reconfigurables que han de canviar ràpidament els estats de funcionament per a la fotònica en-xip i també les xarxes làser acoblades proposades per a l'optimització i la informàtica analògica, on molts nodes han de canviar de manera fiable i ràpida. Per a la ciència fonamental, el resultat proporciona un punt de referència experimental rar i net per a dinàmiques crítiques sense equilibri en un entorn obert, no -hermitià-, on s'han de repensar i provar les idees clàssiques sobre les transicions de fase.
