Laser khóa chế độ là loại laser tiên tiến tạo ra các xung ánh sáng rất ngắn, với thời lượng từ femto giây đến pico giây. Những tia laser này được sử dụng rộng rãi để nghiên cứu các hiện tượng quang học cực nhanh và phi tuyến, nhưng chúng cũng tỏ ra hữu ích cho nhiều ứng dụng công nghệ khác nhau.
Các nhà nghiên cứu tại Viện California Công nghệ gần đây đã khám phá tiềm năng của laser bị khóa chế độ làm nền tảng để nghiên cứu các hiện tượng tôpô. Bài báo của họ, được xuất bản trong Vật lý tự nhiên, phác thảo tiềm năng của những tia laser này trong việc nghiên cứu và hiện thực hóa vật lý tôpô phi Hermiti mới, với nhiều ứng dụng tiềm năng khác nhau.
Alireza Marandi, tác giả chính của bài báo, nói với Phys.org: “Ý tưởng sử dụng độ bền cấu trúc liên kết và khả năng bảo vệ cấu trúc liên kết cho các thiết bị quang tử đã thu hút được sự chú ý đáng kể trong thập kỷ qua, tuy nhiên liệu những hành vi đó có thể mang lại lợi ích thực tế đáng kể hay không vẫn chưa rõ ràng”.
“Chúng tôi đang khám phá câu hỏi này đặc biệt đối với tia laser và các thiết bị quang tử phi tuyến trong đó các chức năng vốn đã phi tuyến. Ngẫu nhiên thay, lĩnh vực vật lý tôpô cũng đang phát triển xung quanh sự tương tác giữa cấu trúc liên kết và tính phi tuyến và các nền tảng thử nghiệm cho những khám phá như vậy tương đối thưa thớt.”
Mục tiêu của nghiên cứu gần đây của Marandi và các đồng nghiệp của ông là gấp đôi. Một mặt, họ mong muốn mở ra những cơ hội mới cho việc nghiên cứu các hành vi tôpô phi tuyến, mặt khác, họ mong muốn mở rộng ứng dụng thực tế của vật lý tôpô trong các laser bị khóa chế độ.
Marandi giải thích: “Từ góc độ thử nghiệm, nền tảng của chúng tôi là một mạng cộng hưởng ghép kênh theo thời gian, bao gồm nhiều xung được đồng bộ hóa trong một bộ cộng hưởng dài”. “Các xung có thể được ghép với nhau theo kiểu có thể điều khiển được bằng cách sử dụng các đường trễ chính xác. Điều này cho phép chúng tôi tạo ra một mạng lưới các bộ cộng hưởng quy mô lớn có thể lập trình được với độ linh hoạt đáng kể. Điều này không dễ dàng ở các nền tảng khác.”
Trong một bài báo trước đó xuất bản vào năm 2022, các nhà nghiên cứu đã khám phá các hiện tượng tôpô trong các bộ cộng hưởng quang tử quy mô lớn, nhưng đặc biệt là ở chế độ tuyến tính. Là một phần của nghiên cứu mới, họ đã sử dụng các bộ cộng hưởng tương tự để thực hiện các tia laser bị khóa chế độ kết hợp.
Nhóm nghiên cứu đã chỉ ra rằng dạng xung do các tia laser này tạo ra có thể được hưởng lợi từ các hiện tượng tôpô và phi Hermiti. Về cơ bản, họ đã tạo ra một tia laser có khoang dài, nhiều xung, có chế độ khóa và đưa vào một nút thắt bên trong nó (tức là ghép các xung của nó theo kiểu tôpô).
Marandi cho biết: “Tính linh hoạt của phương pháp thử nghiệm của chúng tôi cho phép chúng tôi nghiên cứu sự giao thoa giữa cấu trúc liên kết và khóa chế độ laser, đồng thời nhận ra vật lý cấu trúc liên kết phi Hermiti mà trước đây chưa được chứng minh trong các hệ thống quang tử”.
“Ví dụ, chúng tôi nhận thấy rằng sức mạnh tổng hợp giữa cấu trúc liên kết phi Hermiti và động lực phi tuyến của hệ thống của chúng tôi đã tạo ra các chế độ da một cách tự nhiên trong tia laser bị khóa chế độ của chúng tôi. Điều này hoàn toàn trái ngược với các hệ thống tôpô tuyến tính phi Hermiti, trong đó các chế độ da phải được thăm dò bằng nguồn bên ngoài.”
Công trình gần đây của Marandi và các cộng tác viên của ông chứng tỏ sự hứa hẹn về các tia laser bị khóa chế độ để nghiên cứu vật lý tôpô mà cho đến nay vẫn khó tiếp cận bằng thực nghiệm. Ngoài ra, nghiên cứu của họ có thể truyền cảm hứng cho việc sử dụng tia laser bị khóa chế độ để phát triển các công nghệ cảm biến, điện toán và truyền thông mới.
Hơn nữa, trong các thí nghiệm của mình, các nhà nghiên cứu đã sử dụng tia laser mà họ đã phát triển để xác nhận độ bền của mô hình toán học dùng để nghiên cứu hành vi của các hạt chuyển động ngẫu nhiên, được gọi là mô hình Hatano-Nelson, chống lại sự định vị do rối loạn gây ra. Mặc dù mô hình này đã được nghiên cứu rộng rãi trước đây nhưng nó vẫn chưa được chứng minh trên nền tảng quang tử bị khóa chế độ.
Marandi cho biết: “Cụ thể cho nhận thức này, chúng tôi đã khám phá thêm tính mạnh mẽ của mô hình Hatano–Nelson chống lại sự định vị do rối loạn gây ra và cách nó có thể cho phép thiết kế các nguồn lược tần số mạnh mẽ”. “Thông thường, sự mạnh mẽ chống lại thứ gì đó này sẽ dẫn đến sự nhạy cảm với thứ khác.”
Trong các nghiên cứu tiếp theo của họ, Marandi và các đồng nghiệp của ông sẽ cố gắng sử dụng phương pháp của họ để thăm dò việc sử dụng mô hình Hatano-Nelson làm cảm biến có độ nhạy được nâng cao. Ngoài ra, họ hy vọng rằng nghiên cứu của họ sẽ truyền cảm hứng cho các đội khác thử nghiệm việc sử dụng các tia laser bị khóa mode để nghiên cứu các hiện tượng vật lý tôpô.
Marandi nói thêm: “Chúng tôi cũng tin rằng nền tảng của chúng tôi có thể là mảnh đất màu mỡ để khám phá một lượng lớn các hiện tượng tôpô phi tuyến và phi Hermiti không dễ tiếp cận”. “Một ví dụ mà chúng tôi quan tâm là sự tương tác giữa sự hình thành soliton và các hành vi tôpô.”