Le strutture fisiche naturali e artificiali perdono energia, e gli scienziati lavorano duramente per eliminare tale perdita o compensarla. I dispositivi ottici e fotonici perdono energia per diffusione della luce, radiazione o assorbimento di materiale. In alcune situazioni, però, progettare intenzionalmente ma con attenzione la perdita in dispositivi e sistemi ottici aperti può portare a fenomeni fisici non convenzionali che ispirano nuovi metodi per il controllo ottico e l'ingegneria.

Lan Yang, l'Edwin H. &Florence G. Skinner Professor in Electrical &Systems Engineering presso la McKelvey School of Engineering della Washington University di St. Louis, e una squadra che include A. Douglas Stone, il Professor Carl A. Morse di Fisica Applicata e Fisica presso la Yale University, e il suo laboratorio ha scoperto nuovi approcci alla manipolazione dell'assorbimento della luce nei risonatori ottici mediante diversi tipi di perdite ottiche. Hanno raggiunto una degenerazione di due modi di assorbimento perfetti coerenti, che porta a uno spettro di assorbimento non convenzionale e alla capacità di passare da un assorbimento debole a uno forte su un'ampia banda di frequenza. Il lavoro è stato pubblicato il 9 settembre 2021, in Scienza .

Il team di Yang utilizza una piattaforma sperimentale nota come microrisonatori sussurrante gallery mode (WGM), prende il nome dalla famosa galleria dei sussurri nella cattedrale di St. Paul a Londra, dove una persona su un lato della galleria può sentire il sussurro di un'altra persona all'estremità opposta della galleria. Il dispositivo ottico WGM agisce in modo simile, sebbene con frequenze luminose piuttosto che sonore. Queste strutture supportano risonanze, cioè., solo la luce con una certa frequenza può rimanere a lungo in un tale sistema. A causa della perdita di assorbimento del materiale, la luce può essere assorbita dal risonatore. Ulteriore, una guida d'onda in fibra è solitamente posta tangente al bordo del risonatore per accoppiare la luce all'interno o all'esterno del risonatore. L'accoppiamento tra il risonatore e la fibra crea un ulteriore canale di perdita di accoppiamento non dissipativo, che permette alla luce intrappolata all'interno del risonatore di fuoriuscire dalla fibra.

I ricercatori hanno creato due microrisonatori WGM con diverse perdite di assorbimento e hanno accoppiato i loro campi ottici impostandoli vicini. Ciascun risonatore è accoppiato a una guida d'onda in fibra. Modificando il divario tra i risonatori e le guide d'onda, sono stati in grado di regolare la perdita di accoppiamento.

Nel loro esperimento, i ricercatori hanno ottenuto un perfetto assorbimento della luce in ingresso dai canali della guida d'onda, una situazione chiamata assorbimento perfetto coerente (CPA), ottimizzando il rapporto tra le due perdite di accoppiamento e le due perdite di assorbimento. CPA è l'inversione temporale del processo laser, invece di emettere la luce, il sistema assorbe completamente la luce illuminata senza alcuna emissione o dispersione.

"Generalmente, un sistema ottico con perdite è in grado di assorbire la luce in ingresso, ma l'assorbimento perfetto non può avvenire a meno che i parametri di perdita, come il rapporto tra assorbimento e perdite di accoppiamento, è giudiziosamente progettato e controllato, " disse Yang. "Per di più, affinché avvenga un assorbimento perfetto, i raggi laser in ingresso devono oscillare a una frequenza esatta ed essere iniettati da due canali di guida d'onda con un rapporto ben progettato di ampiezze e fasi."

In un sistema con due risonatori ottici, ci sono due tipi di forme d'onda che possono essere completamente assorbite, e avvengono a due frequenze diverse. Perciò, il sistema si comporta solitamente come due perfetti assorbitori. Ma con un'ottimizzazione dell'accoppiamento tra i risonatori sintonizzati dal loro gap, quelle due frequenze e forme d'onda si fondono facendo accadere qualcosa di non convenzionale. Sintonizzare il sistema a quel punto, i ricercatori hanno osservato per la prima volta una forma della linea dello spettro di uscita che è più ampia della forma convenzionale della linea Lorentziana.

"Quando le due modalità CPA si fondono, il sistema raggiunge un tipo speciale di degenerazione che è indicato come un punto eccezionale perfettamente assorbente, " ha detto Changqing Wang, uno studente di dottorato nel laboratorio di Yang e primo autore dell'articolo. "È fondamentalmente diverso da altri tipi convenzionali di degenerazione che sono stati trovati nei sistemi a onde aperte. Sembra che tu abbia due assorbitori che funzionano alla stessa frequenza e assorbono perfettamente lo stesso tipo di raggio. Ma il sistema si comporta in modo molto diverso da un singolo assorbitore, né semplicemente la somma di due assorbitori."

Con i degenerati modi di assorbimento perfetti, variando leggermente il ritardo relativo dei due raggi laser che entrano nelle due guide d'onda, l'assorbimento del sistema può variare notevolmente da forte a debole. Rispetto all'assorbitore convenzionale, questa modulazione avviene in una gamma di frequenze più ampia a causa dell'effetto della degenerazione non banale nel punto eccezionale di assorbimento perfetto. Questo fenomeno non si verifica per un sistema senza perdite, o sistemi che hanno un equilibrio di guadagni e perdite.

"Questo lavoro offre nuove informazioni su come sfruttare diversi tipi di perdite per manipolare un sistema fisico aperto, " Yang ha detto. "In passato, perdita ha consentito un gran numero di interessanti fenomeni fisici in ottica non hermitiana, sistemi acustici ed elettronici, ma c'è un grande potenziale nello sfruttare i diversi ruoli delle diverse fonti di perdita. Per esempio, qui in questo lavoro la perdita di assorbimento del materiale gioca un ruolo distinto dalla perdita di accoppiamento non dissipativa nell'adattare la proprietà di dispersione del sistema. I vari tipi di perdite arricchiscono i gradi di libertà per l'ingegneria ottica."

Questa scoperta del perfetto assorbimento degenerato non banale della luce porta intuizioni per varie applicazioni in fotonica, acustica, elettronica e sistemi quantistici, ha detto Yang. I punti eccezionali perfettamente assorbenti possono essere sfruttati per ingegnerizzare sensori ottici ad altissima sensibilità per il rilevamento di nanoparticelle, misurazione della velocità di rotazione e imaging dei tessuti biologici.

"La pura necessità di perdita senza bisogno di guadagno rende il progetto più semplice, più accessibile, e più stabile, a causa del fatto che l'aggiunta di guadagno ai dispositivi è sempre molto più ingombrante e porta rumore aggiuntivo che deteriora le prestazioni del sistema, " Yang ha detto. "La perdita è onnipresente in natura, e comprendendolo meglio, lo rendiamo più utile."