Teknologi modern semakin bergantung pada sumber cahaya yang dapat dikonfigurasi ulang sesuai permintaan. Bayangkan mikrolaser yang dapat dengan cepat beralih di antara kondisi pengoperasian yang berbeda-seperti mobil yang berpindah gigi-sehingga chip optik dapat mengarahkan sinyal, melakukan komputasi, atau beradaptasi dengan perubahan kondisi secara real-time. Peralihan mikrolaser bukanlah proses yang mulus dan santai, namun bisa terjadi secara tiba-tiba dan cepat. Secara umum, negara-negara penguat "kandidat" yang hampir identik bersaing satu sama lain dalam rongga mikro, dan laser dapat tiba-tiba melompat dari satu negara ke negara lain ketika kondisi eksternal disetel.
Hal ini menimbulkan pertanyaan praktis: Pada prinsipnya, seberapa cepat peralihan tersebut dapat terjadi? Bagi fisikawan, hal ini menimbulkan pertanyaan yang lebih dalam: Apakah peralihan mengikuti aturan universal, seperti transisi fase lainnya di alam?
Sebuah tim di Universitas Peking kini telah memberikan gambaran yang jelas tentang-laser rongga mikro berkualitas sangat tinggi-waktu yang dibutuhkan laser untuk menyelesaikan peralihan keadaan mengikuti aturan hukum-kekuatan yang sangat sederhana. Saat kenop kontrol disapu lebih cepat, peralihan menjadi lebih cepat-tetapi tidak terjadi begitu saja. Sebaliknya, waktu peralihan berkurang dengan akar kuadrat dari kecepatan sapuan, sesuai dengan eksponen kuat yang mendekati setengahnya. Hasil ini secara efektif menetapkan batas kecepatan seberapa cepat mikrolaser tersebut dapat "mengubah persneling". Temuan ini dipublikasikan diSurat Tinjauan Fisik.
Bagaimana cara mengontrol saklar laser?
Dalam rongga-Q ultratinggi, foton bersirkulasi jutaan kali sebelum bocor keluar, yang sangat meningkatkan interaksi cahaya-materi dan memungkinkan laser-ambang batas rendah. Hingga saat ini, sebagian besar penelitian dapat mengetahui keadaan laser tersebut, namun jauh lebih sulit untuk menangkap proses peralihan itu sendiri-transien singkat saat laser meninggalkan satu keadaan dan berpindah ke keadaan lain. Transien ini dapat terjadi dalam skala waktu nanodetik, dan terjadi dalam sistem terbuka yang terus-menerus didorong dan kehilangan energi, di mana kebisingan dan disipasi memainkan peran sentral.
Untuk mengatasi hal ini, tim membangun platform{0}laser mikro yang dapat disetel dengan cara yang bersih dan dapat diprogram. Laser dihasilkan dalam mikrosfer silika ultratinggi-Q-yang lebarnya hanya puluhan mikrometer-tempat gelombang searah jarum jam dan berlawanan arah jarum jam dapat berpasangan dan membentuk dua keadaan gelombang-berdiri yang bersaing (dua "supermode") dengan kesimetrian berlawanan.
Ide utamanya adalah menambahkan putaran umpan balik yang menyuntikkan kembali sebagian kecil sinar laser ke dalam rongga. Dengan mengendalikan fase cahaya yang disuntikkan kembali ini, para peneliti dapat membuat interferensi memperkuat atau melemahkan supermode tertentu. Akibatnya, kontrol fase ini memungkinkan mereka menyesuaikan keseimbangan kerugian antara dua kondisi penguat yang bersaing-seperti menyesuaikan jungkat-jungkit-sehingga sistem dapat melintasi titik kritis di mana satu kondisi menjadi lebih diunggulkan dibandingkan yang lain. Ini jelas merupakan bentuk kontrol yang "non-Hermitian": alih-alih hanya mengubah frekuensi resonansi, hal ini secara langsung membentuk kembali lanskap untung-rugi yang mengatur negara bagian mana yang menang.
Merekam saklar secara real time
Mengontrol peralihan hanyalah separuh dari cerita-mencatatnya adalah separuh lainnya. Tim menggunakan metode detak-frekuensi radio (RF): Mereka menggabungkan keluaran laser dengan referensi stabil dan melacak sinyal RF yang dihasilkan seiring waktu. Hal ini mengubah perubahan optik ultracepat menjadi sinyal listrik yang dapat diukur, memungkinkan para peneliti untuk merekonstruksi bagaimana keadaan laser berkembang selama peralihan dengan resolusi waktu di bawah 10 nanodetik.
Aturan sederhananya: Penskalaan kekuatan
Setelah transien terlihat, eksperimen alami menjadi mungkin: ulangi protokol peralihan berkali-kali, tetapi gerakkan kenop kontrol dengan kecepatan berbeda. Tim kemudian mengekstraksi-waktu transisi yang ditentukan dengan baik dari setiap peristiwa peralihan. Hasilnya sangat mengejutkan: pada rentang kecepatan sapuan yang luas, waktu transisi mengikuti hukum kekuatan yang kuat. Sapuan yang lebih cepat menyebabkan peralihan yang lebih cepat, namun peningkatannya melambat dengan cara yang dapat diprediksi.
Secara kuantitatif, skala waktu peralihan kira-kira sebagai akar kuadrat terbalik dari kecepatan sapuan, sesuai dengan eksponen yang mendekati 0,5. Perilaku yang sama juga muncul dalam studi tentang jaringan laser rongga berpasangan, yang menunjukkan bahwa aturan tersebut bukanlah fitur rapuh pada satu perangkat, namun mencerminkan prinsip yang lebih luas dari peralihan nonequilibrium dalam sistem fotonik disipatif yang digerakkan.
“Hukum penskalaan universal sangat berharga karena memberikan kompas prediksi bagi para insinyur dan ilmuwan,” kata Prof. Xiao, penulis makalah penelitian ini. "Daripada menyetel perangkat dengan coba-coba, kita dapat menggunakan aturan penskalaan untuk mengantisipasi bagaimana perubahan kecepatan kontrol memengaruhi waktu respons-dan untuk memahami di mana hasil yang semakin berkurang terjadi."
Untuk aplikasi, temuan ini mungkin menginspirasi mikrolaser yang dapat dikonfigurasi ulang yang harus dengan cepat beralih status pengoperasian untuk fotonik pada-chip dan juga jaringan laser yang digabungkan yang diusulkan untuk pengoptimalan dan komputasi analog, di mana banyak node harus beralih dengan andal dan cepat. Bagi sains fundamental, hasil ini memberikan tolok ukur eksperimental yang langka dan bersih untuk dinamika kritis non-ekuilibrium dalam lingkungan terbuka dan non-Hermitian-sebuah arena di mana gagasan klasik tentang transisi fase harus dipikirkan ulang dan diuji.
