圣路易斯華盛頓大學(xué)的研究人員已經(jīng)找到了一種按照他們的指令提供光子或光包的方法。
研究人員利用一種光域的慷慨的能量狀態(tài)，在他們的激光系統(tǒng)中制造光子，使得其在一個一致的模式中傳輸，順時針方向或逆時針方向。
對于所有激光系統(tǒng)和應(yīng)用中得到一個可靠的強(qiáng)的光子信號和光脈沖，光的傳播中的一致性是很重要的。僅僅激光一項(xiàng)，就是與數(shù)十億美元產(chǎn)業(yè)應(yīng)用程序相關(guān)，從信息通信到醫(yī)學(xué)上的激光脫毛。然而，這種一致性也適合于當(dāng)前和未來的光學(xué)傳感裝置中的應(yīng)用，可用于氣溶膠檢測器或癌癥的檢測。
楊蘭，是一名電氣系統(tǒng)工程系的埃德溫&佛羅倫薩·斯金納教授，奧茲德米爾是一名研究助理教授，兩人都在工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院，其合作者有位于維也納科技大學(xué)的斯特凡·羅特和位于德國奧托·馮·格里克大學(xué)的簡·威爾斯哥，他們共同探索了一種稱為特殊點(diǎn)的物理現(xiàn)象，這種點(diǎn)會強(qiáng)迫光子沿著順時針或逆時針方向運(yùn)動，而不是隨機(jī)方向運(yùn)動。
這一研究結(jié)果已發(fā)表在本月的《美國國家科學(xué)院學(xué)報》上。
這種特殊的點(diǎn)出現(xiàn)在物理場中，是當(dāng)復(fù)雜的特征值和特征向量合并或成為一樣時會發(fā)生。這些都是描述一個物理系統(tǒng)的數(shù)學(xué)工具。把這種特殊點(diǎn)看作一個復(fù)雜的迷人的環(huán)境，往往是會有不可預(yù)測的和違反直覺的現(xiàn)象發(fā)生。
例如，發(fā)表與2014年《自然》雜志上的一篇論文，楊和奧茲德米爾描述了利用特殊點(diǎn)在激光器系統(tǒng)中增加損耗，但卻使得實(shí)際的功率增加，也就說如果你愿意，損耗會增加功率。隨著物理學(xué)上的研究進(jìn)展，異常點(diǎn)肯定會在不就的將來要促成一些更多的反直覺的科研活動和結(jié)果。
楊和奧茲德米爾引入光學(xué)領(lǐng)域特殊點(diǎn)的存在是通過加入兩個二氧化硅的散射體或納米尖端，這有助于創(chuàng)造完美的場景，讓人想起了一個特殊的點(diǎn)。利用納米位移臺系統(tǒng)，博士上彭博，調(diào)整散射體之間的距離和相對大小，增加微震諧振腔在光學(xué)領(lǐng)域的擾動，召喚出一個特殊的點(diǎn)，他也是2014個《科學(xué)》雜志論文的第一作者。因此，他們是有一個可控的系統(tǒng)的。
“這項(xiàng)研究的一個令人興奮的事情之一是，它提出了一個按需控制的激光，”楊說。通過改變散射體的位置，你可以改變激光器的工作制度。這將打開基于激光器的新的功能器件的可能性。”
“這項(xiàng)研究進(jìn)一步增強(qiáng)了我們利用微環(huán)激光器的能力，不僅可利用增加損耗作功率的提升，正如我們以前取得的那樣，而且可以精確控制激光的方向，”彭說。
他們使用的微諧振器是一類叫做回音壁模式諧振器(WGMRs),因?yàn)樗麄兊墓ぷ鞣绞胶屯瑯又幕匾舯?，即在倫敦的圣保羅大教堂的圓頂類似，在一側(cè)的人可以聽到墻另一邊的人所說的話。WGMR裝置的工作頻率與光的頻率相似而不是聲音頻率。
光從WGMR通過錐形光纖波導(dǎo)兩側(cè)進(jìn)行注入和耦合。納米位移平臺控制散射，并探測WGM的手性。在散射的情況下，當(dāng)光在順時針或逆時針方向注入WGMR中，共振峰會出現(xiàn)在傳輸譜中，反射端是沒有信號獲得的。
“當(dāng)系統(tǒng)通過散射體的輔助取得一個特殊的點(diǎn)，這一狀態(tài)會發(fā)生變化，“奧茲德米爾說。“只有一個注射方向時，反射譜顯示了一個明顯的共振峰。這種不對稱的反射，是手性的一種獨(dú)特的特點(diǎn)，即一個模式的固有屬性。”
在物理系統(tǒng)中可以存在有多個特殊點(diǎn)。
“把系統(tǒng)放在不同的特殊點(diǎn)中的結(jié)果，僅為表現(xiàn)出其他注射方向的反射峰的出現(xiàn)，” 奧茲德米爾說。
楊補(bǔ)充說：“因此，我們可以控制模式的手性從系統(tǒng)的一個特殊的點(diǎn)到另一個。”
研究團(tuán)隊(duì)然后建立了特殊點(diǎn)位置不對稱反射和激光模式的固有手性之間的關(guān)聯(lián)。為了這個目的，他們用摻鉺WGM微諧振器。鉺作為一種摻雜劑，相比用于激發(fā)激光的光會增加不同波長的激光活性。
在一個特殊的點(diǎn)的情況下，所發(fā)出的光從鉺到WGM可以同時順時針和逆時針旋轉(zhuǎn)。這使得從WGM微環(huán)激光器中提取激光是低效的。而在一個特殊的點(diǎn)上，光子將以一致的方式移動，無論是在順時針或逆時針方向。
“我們現(xiàn)在已經(jīng)對回音壁模式的手性行進(jìn)行了控制，因此激光的發(fā)射方向要多虧特殊點(diǎn)的存在，”楊說。“我們把散射體放置在哪以及我們讓他們改變工作制度的程度，增加技術(shù)的通用性。”
“我們可以調(diào)整回音壁模式使其具有有雙向性(順時針或逆時針方向)的微環(huán)激光器或單向激光器，在順時針或逆時針方向進(jìn)行激光發(fā)射。通過由該系統(tǒng)的一個特殊的點(diǎn)到另一個特殊點(diǎn)的過渡，我們完全可以讓發(fā)射方向翻轉(zhuǎn)，” 奧茲德米爾說。
結(jié)果為WGMR提供了一種用于激光、傳感、光和量子電動力學(xué)新的功能。
“該小組的研究結(jié)果再次證明，如果設(shè)計得當(dāng)，特殊的點(diǎn)、工程的損耗和散射，提供了一種在光學(xué)科學(xué)中解決那些阻礙技術(shù)發(fā)展和限制設(shè)備實(shí)用性問題的新技巧，”楊說。
“這項(xiàng)研究進(jìn)一步增強(qiáng)了我們利用激光器的能力，不僅可通過損耗提高功率，正如我們以前取得的那樣，而且可以對激光方向進(jìn)行精確控制，”彭說。
研究人員說，他們的研究結(jié)果將有助于開發(fā)新的控制光流的技術(shù)，為手性光子的芯片鋪平了道路，并可能影響到光學(xué)領(lǐng)域以外的科學(xué)領(lǐng)域。他們已經(jīng)開始利用并展示了特殊點(diǎn)處，非厄米光子學(xué)的其他違反直覺的特點(diǎn)。
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