Selbstständige Modenkopplung von Lichtquellen
Neues Konzept für optomechanische Materialien ebnet den Weg zur ultraschnellen kohärenten mechanischen Gigahertz-Kontrolle von Lichtquellen.
Oszillatoren mit geringfügig unterschiedlichen Resonanzfrequenzen neigen dazu ihre Frequenzen fest auf eine gemeinsame Frequenz einzustellen, sobald sie miteinander interagieren. Dieser gerade Synchronisierungsprozess ist eine allgemeine Eigenschaft von oszillierenden Systemen, welche als Modenkopplung bezeichnet wird. Er findet in einer Vielzahl von Oszillatoren statt – angefangen von der für GPS notwendigen sehr präzisen Zeitsynchronisation bis hin zur Synchronisation der menschlichen biologischen Uhr, die den Tagesrhythmus regelt. Der Mechanismus, der hinter dieser Synchronisation steckt, ist jedoch alles andere als trivial.
Die Energie eines Pendels hängt von seiner Frequenz und Bewegungsamplitude ab. Weiterhin kann ein Pendel mit einer Frequenz innerhalb eines schmalen Bandes oszillieren. Diese Bandbreite hängt von der Rate ab, mit der das Pendel Energie verliert. Das Einrasten der Frequenzen zweier Pendel beruht auf dem Energieaustausch über den gemeinsamen Träger. Dieser Prozess erfordert, dass die schmalen Frequenzbänder der beiden Pendel überlappen und dass die Energieübertragung sehr viel schneller als das Abklingen der Oszillationen abläuft. Sofern diese Bedingungen erfüllt sind, wird Energie zwischen den Pendeln hin und her transferiert bis ihre Schwingungen auf eine einzige Frequenz einrasten. In diesem eingerasteten Regime findet kein Energieaustausch mehr statt.
Eine Studie von Forschern des Paul-Drude-Instituts und weiterer Institute in Argentinien, Spanien und Belgien legt dar, wie man die Bewegung von Pendeln, die sehr unterschiedliche Resonanzfrequenzen haben, synchronisieren kann. Dabei ist die Differenz der Frequenzen weit größer als das Frequenzband jedes einzelnen Pendels. Dieses Szenario ergibt sich, wenn die Pendel unterschiedliche Längen und damit unterschiedliche Resonanzfrequenzen haben. Dieser Prozess – das asynchrone Einrasten der Frequenzen – ist für diverse Anwendungen relevant. Dazu gehören Phasenregelkreise in elektronischen Schaltungen oder auch Generatoren von Radiowellen oder Lichtstrahlen mit einer genau definierten Frequenzdifferenz.
Die Forscher demonstrieren ein integriertes Feld von asynchron eingerasteten laserähnlichen Emittern, die bei Frequenzen ausstrahlen, welche sich um das Vielfache einer genau definierten Frequenz unterscheiden. Das laserähnliche Licht wird von einem Feld von mikrometergroßen Emittern ausgestrahlt, welche in einen hybriden optomechanischen Halbleiterresonator mit einer mechanischen Resonanzfrequenz von ungefähr zwanzig Gigahertz eingebettet sind. Die Emitter werden von einem externen Dauerstrich-Laserstrahl angeregt. Das Team zeigt, dass die Emitter bei Laseranregung ihre individuellen Energien selbst anpassen bis sie die Bedingungen für das asynchrone Einrasten erfüllen. Dann stellt sich der relative energetische Abstand zwischen den Emittern durch Austausch von mechanischen Energiequanten automatisch auf ein Vielfaches einer genau definierten Frequenz ein.
Die Studie demonstriert ein neues Konzept für optomechanische Materialien basierend auf Feldern von mikrometergroßen Zentren, welche stark mit eingesperrten Gigahertz-Vibrationen wechselwirken. Diese Ergebnisse ebnen den Weg zur ultraschnellen kohärenten mechanischen Gigahertz-Kontrolle von Lichtquellen und Zustandsübergängen für Quantentechnologien.
PDI / RK
Weitere Infos
- Originalveröffentlichung
D. L. Chafatinos et al.: Asynchronous locking in metamaterials of fluids of light and sound, Nat. Commun. 14, 3485 (2023); DOI: 10.1038/s41467-023-38788-9 - Paul-Drude-Institut für Festkörperelektronik, Leibniz-Institut im Forschungsverbund Berlin e.V.
