I laser con modalità bloccata sono laser avanzati che producono impulsi di luce molto brevi, con durate che vanno dai femtosecondi ai picosecondi. Questi laser sono ampiamente utilizzati per studiare fenomeni ottici ultraveloci e non lineari, ma si sono rivelati utili anche per diverse applicazioni tecnologiche.
Ricercatori del California Institute of Tecnologia hanno recentemente esplorato il potenziale dei laser mode-locked come piattaforme per studiare i fenomeni topologici. Il loro articolo, pubblicato in Fisica della natura, delinea le potenzialità di questi laser per lo studio e la realizzazione di nuova fisica topologica non Hermitiana, con diverse potenziali applicazioni.
"L'idea di utilizzare la robustezza e la protezione topologica per i dispositivi fotonici ha attirato notevole attenzione negli ultimi dieci anni, ma non è chiaro se tali comportamenti possano fornire vantaggi pratici sostanziali", ha detto a Phys.org Alireza Marandi, autore principale dell'articolo.
“Abbiamo esplorato questa questione specificamente per i laser e i dispositivi fotonici non lineari in cui le funzionalità sono intrinsecamente non lineari. Per inciso, anche il campo della fisica topologica si sta evolvendo attorno all’interazione tra topologia e nonlinearità e le piattaforme sperimentali per tali esplorazioni sono relativamente scarse”.
L’obiettivo del recente studio di Marandi e dei suoi colleghi era duplice. Da un lato, desideravano aprire nuove opportunità per lo studio dei comportamenti topologici non lineari, mentre dall'altro desideravano ampliare l'applicazione pratica della fisica topologica nei laser mode-locked.
“Da un punto di vista sperimentale, la nostra piattaforma è una rete di risonatori multiplexati nel tempo, composta da molti impulsi sincronizzati in un lungo risonatore”, ha spiegato Marandi. “Gli impulsi possono essere accoppiati tra loro in modo controllabile utilizzando precise linee di ritardo. Ciò ci consente di creare una rete programmabile di risonatori su larga scala con notevole flessibilità. Questo non è facile su altre piattaforme”.
In un precedente articolo pubblicato nel 2022, i ricercatori hanno esplorato i fenomeni topologici nei risonatori fotonici su larga scala, ma specificamente nel regime lineare. Nell’ambito del loro nuovo studio, hanno utilizzato gli stessi risonatori per implementare laser accoppiati con modalità bloccata.
Il team ha dimostrato che il modello di impulsi prodotto da questi laser può trarre vantaggio da fenomeni non hermitiani e topologici. Essenzialmente, hanno creato un laser a cavità lunga, multi-impulso, con modalità bloccata e hanno introdotto un nodo al suo interno (cioè, accoppiando i suoi impulsi in modo topologico).
“La flessibilità del nostro approccio sperimentale ci ha permesso sia di studiare l’intersezione tra topologia e modalità laser, sia di realizzare una fisica topologica non hermitiana che non era stata precedentemente dimostrata nei sistemi fotonici”, ha affermato Marandi.
“Ad esempio, abbiamo scoperto che la sinergia tra la topologia non hermitiana e la dinamica non lineare del nostro sistema produceva spontaneamente modalità pelle nel nostro laser con modalità bloccata. Ciò è in netto contrasto con i sistemi topologici lineari non hermitiani, dove i modi cutanei devono essere sondati con una fonte esterna”.
Questo recente lavoro di Marandi e dei suoi collaboratori dimostra la promessa dei laser mode-locked per lo studio della fisica topologica a cui finora è stato difficile accedere sperimentalmente. Inoltre, il loro studio potrebbe ispirare l’uso di laser con modalità bloccata per lo sviluppo di nuove tecnologie di rilevamento, elaborazione e comunicazione.
Inoltre, nei loro esperimenti, i ricercatori hanno utilizzato il laser sviluppato per confermare la robustezza di un modello matematico utilizzato per studiare il comportamento delle particelle in movimento casuale, noto come modello Hatano-Nelson, rispetto alla localizzazione indotta dal disordine. Sebbene questo modello sia stato ampiamente studiato in precedenza, non era ancora stato dimostrato su una piattaforma fotonica con modalità bloccata.
“Specificamente per questa realizzazione, abbiamo esplorato ulteriormente la robustezza del modello Hatano-Nelson contro la localizzazione indotta da disordini e come potrebbe consentire la progettazione di robuste fonti di pettini di frequenza”, ha affermato Marandi. “In genere, questo tipo di robustezza nei confronti di qualcosa è seguita dalla sensibilità verso qualcos’altro”.
Nei loro prossimi studi, Marandi e i suoi colleghi cercheranno di utilizzare il loro approccio per sondare l’uso del modello Hatano-Nelson come sensore con maggiore sensibilità. Inoltre, sperano che il loro studio possa ispirare altri team a sperimentare l’uso di laser a modalità bloccata per studiare i fenomeni fisici topologici.
“Crediamo inoltre che la nostra piattaforma possa essere un terreno fertile per esplorare un ampio corpo di fenomeni topologici non lineari e non hermitiani che non sono facilmente accessibili”, ha aggiunto Marandi. “Uno di questi esempi che ci interessa è l’interazione tra la formazione dei solitoni e i comportamenti topologici”.