長三角G60雷射聯盟導讀
據悉，華中科技大學武漢光電國家研究中心舒學文教授團隊與香港中文大學孫賢開教授團隊合作在《光：科學與應用》（Light: Science & Applications）發表最新研究進展“Visual observation of photonic Floquet–Blochoscillations”。
布洛赫振蕩是一種經典的相幹量子輸運現象，表現為周期勢場中的量子粒子在外加恒定力作用下的周期振蕩。作為一種基本的實體效應，布洛赫振蕩已經在多種系統中被發現和研究，比如半導體超晶格、超冷原子、耦合波導陣列和合成次元光子晶格等等，相關的研究成果不僅推動了基礎實體研究的發展，還為靈活操控波函數的演化提供了新的思路和方法。然而，關于布洛赫振蕩現象的研究主要集中在靜态系統中，周期性驅動（弗洛凱）系統中的布洛赫振蕩現象有待進一步深入探究。
圖1.(a)飛秒雷射直寫波導陣列示意圖。(b)實驗制備樣品的截面照片。(c)實驗制備樣品的俯視照片。
針對這一問題，本研究利用飛秒雷射直寫制備的一維彎曲波導陣列研究了弗洛凱系統中的布洛赫振蕩現象，提出了光學弗洛凱晶格中布洛赫振蕩現象的一般理論，并實驗可視化觀測了光學弗洛凱-布洛赫振蕩現象。如圖1所示，陣列中波導的彎曲軌迹為圓弧彎曲疊加周期彎曲組成的複合軌迹。在傍軸近似下，描述光在該波導陣列中傳輸演化的波動方程在數學形式上等價于描述周期勢場中的電子在外加電場作用下随時間演化的薛定谔方程，波導陣列中的光傳輸方向等價于薛定谔方程的時間項。波導彎曲軌迹的曲率被看作是作用在傳輸光波上的等效電場力，其中圓弧彎曲軌迹産生導緻布洛赫振蕩的等效恒定電場力，周期彎曲軌迹産生引入弗洛凱調制的等效周期電場力。是以，該波導陣列可以實作光學弗洛凱晶格中布洛赫振蕩現象的觀測。
圖2.(a)-(d)單波導激發時的實驗觀測結果。(e)-(h)寬光束激發時的實驗觀測結果。
本研究利用波導熒光顯微技術可視化觀測了光波在波導陣列中的連續傳輸演化過程。圖2分别展示了單波導入射和寬光束入射情況下的光學弗洛凱晶格中布洛赫振蕩現象的呼吸模式和振蕩模式。當弗洛凱調制周期ɅFL與任意整數倍的布洛赫振蕩周期ɅBO都不相等時，弗洛凱色散恒等于0，此時會出現周期ɅFBO為ɅFL和ɅBO最小公倍數的光學弗洛凱-布洛赫振蕩。其餘情況下的弗洛凱色散不再恒等于0，此時光的傳輸通常表現為擴散衍射。此外，研究人員理論結合實驗研究了弗洛凱調制參數對于光學弗洛凱-布洛赫振蕩的影響，揭示了該現象的獨特演化性質，包括弗洛凱調制周期相關的分形譜特性以及弗洛凱調制幅度相關的分數階弗洛凱隧穿特性。
圖3.(a)光學弗洛凱-布洛赫振蕩的分形譜特性。(b)光學弗洛凱-布洛赫振蕩的分數階弗洛凱隧穿特性。
光學弗洛凱-布洛赫振蕩的可視化觀測揭示了一種新穎的波函數演化機制，在基礎研究和實際應用方面都有着重要意義。在基礎研究方面，該理論模型和實驗平台支援進一步探索弗洛凱-布洛赫振蕩與二進制晶格、非厄米晶格、光學非線性等設計和調控互相結合産生的新奇現象；在實際應用方面，光學弗洛凱-布洛赫振蕩本質上是一種相幹傳輸現象，是以可以推廣到合成頻域晶格、冷原子、時空晶體和量子行走等多個研究平台中，有望用于實作頻率轉換、精密測量以及各種波的傳輸操控。
武漢光電國家研究中心博士生張真與香港中文大學博士生李緣為論文共同第一作者。武漢光電國家研究中心舒學文教授和香港中文大學孫賢開教授為論文共同通訊作者。武漢光電國家研究中心為論文第一機關。
論文連結：https://www.nature.com/articles/s41377-024-01419-z
文章來源：華中科技大學官網
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