تعتمد التقنيات الحديثة بشكل متزايد على مصادر الضوء التي يمكن إعادة تشكيلها حسب الطلب. فكر في أجهزة الليزر الدقيقة التي يمكنها التبديل بسرعة بين حالات التشغيل المختلفة-مثلما يشبه إلى حد كبير تبديل تروس السيارة-بحيث تتمكن الشريحة الضوئية من توجيه الإشارات أو إجراء العمليات الحسابية أو التكيف مع الظروف المتغيرة في الوقت الفعلي. لا يعد تبديل الليزر الميكروي عملية سلسة وممتعة، ولكنه يمكن أن يكون مفاجئًا وسريعًا. بشكل عام، تتنافس حالات الليزر "المرشحة" المتطابقة تقريبًا مع بعضها البعض في تجويف صغير، وقد يقفز الليزر فجأة من حالة إلى أخرى عندما يتم ضبط الظروف الخارجية.
وهذا يثير سؤالاً عملياً: ما مدى سرعة مثل هذا التحول من حيث المبدأ؟ بالنسبة للفيزيائيين، يثير هذا سؤالًا أعمق: هل يتبع التحول قاعدة عالمية، مثل التحولات الطورية الأخرى في الطبيعة؟
قدم فريق من جامعة بكين الآن صورة واضحة عن ليزر ذو تجاويف دقيقة-عالي الجودة-يتبع الوقت الذي يحتاجه الليزر لإكمال تبديل الحالة قاعدة قانون -القوة البسيطة بشكل ملحوظ. عندما يتم تحريك مقبض التحكم بشكل أسرع، يصبح المفتاح أسرع-ولكن ليس بشكل عشوائي. وبدلاً من ذلك، يتناقص وقت التبديل مع الجذر التربيعي لسرعة المسح، وهو ما يتوافق مع الأس القوي الذي يقترب من النصف. تحدد هذه النتيجة بشكل فعال حدًا للسرعة لمدى السرعة التي يمكن بها لهذه الليزرات الدقيقة "تغيير التروس". يتم نشر النتائج فيرسائل المراجعة البدنية.
كيفية التحكم في مفتاح الليزر؟
في تجويف -Q فائق الارتفاع، تدور الفوتونات عدة ملايين من المرات قبل أن تتسرب، مما يعزز التفاعلات بين الضوء والمادة بشكل كبير ويتيح إطلاق الليزر بعتبة منخفضة-. حتى الآن، كان بمقدور معظم الدراسات معرفة الحالة التي انتهى إليها الليزر، ولكن كان من الصعب للغاية التقاط عملية التبديل نفسها-وهي فترة انتقالية قصيرة حيث يترك الليزر حالة واحدة ويستقر في حالة أخرى. يمكن أن يتكشف هذا العابر على فترات زمنية بالنانو ثانية، ويحدث في نظام مفتوح مدفوع باستمرار ويفقد الطاقة، حيث يلعب الضجيج والتبديد أدوارًا مركزية.
لحل هذه المشكلة، أنشأ الفريق نظامًا أساسيًا لليزر الصغير-يمكن ضبطه بطريقة نظيفة وقابلة للبرمجة. يتم إنشاء الليزر في طبقة ميكروية من السيليكا -Q فائقة الارتفاع-عشرات الميكرومترات فقط عبر-حيث يمكن للموجات في اتجاه عقارب الساعة وعكس اتجاه عقارب الساعة أن تقترن وتشكل حالتين موجيتين متنافستين - ("وضعين فائقين") بتماثلات متعاكسة.
وكانت الفكرة الرئيسية هي إضافة حلقة تغذية مرتدة تعيد حقن جزء صغير من ضوء الليزر مرة أخرى إلى التجويف. ومن خلال التحكم في مرحلة هذا الضوء المعاد حقنه، يمكن للباحثين إجراء التداخل إما على تقوية أو إضعاف أنماط فائقة معينة. في الواقع، يتيح لهم التحكم في الطور ضبط توازن الخسارة بين حالتي الليزر المتنافستين-مثل ضبط الأرجوحة-بحيث يمكن للنظام تجاوز النقطة الحرجة حيث تصبح إحدى الحالات مفضلة على الأخرى. وهذا شكل واضح من أشكال السيطرة "غير الهرميتية": فبدلاً من تغيير ترددات الرنين فقط، فإنه يعيد تشكيل مشهد الربح والخسارة الذي يحكم الدولة التي تفوز بشكل مباشر.
تصوير التبديل في الوقت الحقيقي
إن التحكم في المفتاح هو نصف القصة فقط-وتسجيلها هو النصف الآخر. استخدم الفريق طريقة ملاحظة -تردد الراديو (RF)-: حيث قاموا بخلط مخرج الليزر مع مرجع ثابت وتتبعوا إشارة التردد اللاسلكي الناتجة مع مرور الوقت. وهذا يحول التغيرات البصرية فائقة السرعة إلى إشارات كهربائية قابلة للقياس، مما يسمح للباحثين بإعادة بناء كيفية تطور حالة الليزر أثناء التبديل بدقة زمنية أقل من 10 نانو ثانية.
القاعدة البسيطة: قياس القوة
بمجرد أن يصبح العابر مرئيًا، تصبح التجربة الطبيعية ممكنة: كرر بروتوكول التبديل عدة مرات، ولكن قم بمسح مقبض التحكم بسرعات مختلفة. ثم استخرج الفريق فترة انتقالية محددة جيدًا-من كل حدث تبديل. وكانت النتيجة مذهلة: عبر نطاق واسع من سرعات المسح، يتبع وقت الانتقال قانون طاقة قوي. تؤدي عمليات المسح الأسرع إلى تبديل أسرع، لكن التحسن يتباطأ بطريقة يمكن التنبؤ بها.
من الناحية الكمية، يتم قياس وقت التبديل تقريبًا مثل الجذر التربيعي العكسي لسرعة المسح، وهو ما يتوافق مع أس قريب من 0.5. يظهر السلوك نفسه أيضًا في الدراسات التي أجريت على -شبكات الليزر المجوفة المقترنة، مما يشير إلى أن القاعدة ليست ميزة هشة لجهاز واحد، ولكنها بدلاً من ذلك تعكس مبدأ أوسع يتمثل في التبديل غير المتوازن في الأنظمة الضوئية المشتتة والموجهة.
وقال البروفيسور شياو، المؤلف المقابل لهذا العمل البحثي: "إن قوانين القياس العالمي ذات قيمة لأنها تمنح المهندسين والعلماء بوصلة تنبؤية". "بدلاً من ضبط الأجهزة عن طريق التجربة والخطأ، يمكن للمرء استخدام قاعدة القياس لتوقع كيفية تأثير تغيير سرعة التحكم على وقت الاستجابة-ولفهم أين يحدث تناقص العوائد."
بالنسبة للتطبيقات، قد يلهم هذا الاكتشاف أجهزة الليزر الدقيقة القابلة لإعادة التشكيل والتي يجب أن تغير حالات التشغيل بسرعة لضوئيات الشريحة -وكذلك شبكات الليزر المقترنة المقترحة للتحسين والحوسبة التناظرية، حيث يجب أن تتغير العديد من العقد بشكل موثوق وسريع. بالنسبة للعلوم الأساسية، توفر النتيجة معيارًا تجريبيًا نادرًا ونظيفًا للديناميكيات الحرجة غير المتوازنة في بيئة مفتوحة وغير -هرميتية-، وهي ساحة حيث يجب إعادة التفكير في الأفكار الكلاسيكية حول التحولات الطورية واختبارها.
