光子Floquet-Bloch振荡的目视观察
光子实现和广义加速理论。由具有组合弯曲轨迹的倏逝耦合波导组成的一维晶格示意图。b 变换坐标系中约化 Floquet 晶格的示意图。c 制备样品的横截面光学显微镜图像。比例尺，30μm。d 采用谐波调制的制备样品的顶视光学显微镜图像。比例尺，30μm。e 根据广义加速度理论表示 F（z） 诱导的波矢量位移。 对于对应于传统 BO（A = 0，蓝色实线）、FBO （Λ博= 3λ佛罗里达州，橙色虚线）、FBO （3Λ博= 4Λ佛罗里达州、红色虚线）和传播 （Λ博= λ佛罗里达州，灰色实线）。图片来源：Light： Science & Applications （2024）。DOI：
10.1038/s41377-024-01419-z
最近，周期驱动量子系统中的布洛赫振荡（BOs）的探索引起了极大的关注，因为它们的奇异特性与静态系统中的特性截然不同。具体来说，已经研究了两种类型的布洛赫样振荡：准布洛赫振荡 （QBO） 和超布洛赫振荡 （SBO）。
然而，Floquet系统中这些现有BO之间的内在联系仍然难以捉摸，需要发展关于Floquet系统中BO的一般理论。此外，作为揭示潜在输运机制的关键，Floquet系统中BO的目视观察在实验中仍未得到探索。
在发表在《光：科学与应用》上的一篇论文中，由中国华中科技大学的舒学文教授和中国香港中文大学的孙先凯教授领导的科学家团队将布洛赫振荡推广到光子Floquet晶格。
这导致了“光子弗洛凯-布洛赫振荡（FBO）”，它指的是重新缩放的光子布洛赫振荡，其调制周期和布洛赫振荡周期的最小公倍延长。当 Floquet 调制周期与 Bloch 振荡周期的有理比为非整数时，光子 FBO 出现在任意 Floquet 调制中。在此框架下，传统的QBO和SBO现在可以统一，并被视为FBO的两个特殊情况。
通过采用波导荧光显微镜，他们直接可视化了飞秒激光写入波导阵列中光子FBO的呼吸和振荡运动。值得注意的是，他们通过实验研究了光子FBO的两个奇异特性，即分形光谱和分数Floquet隧穿。
有了这一见解，他们认为光子FBO本身就构成了一种独特的传输现象，除了是Floquet系统中现有BO的推广之外。
为了可视化光子Floquet晶格中的布洛赫振荡，他们考虑了具有周期性调制的圆形弯曲光波导阵列。
所提出的晶格中低功率光的空间演化类似于非相互作用电子在受电场作用的周期性势中的时间演化。传播坐标z充当“时间”，波导的曲率被认为是作用在光波上的有效电场力。圆形弯曲轨迹引入了一个恒定的电场力，负责 BO。
周期性弯曲轨迹引入周期性电场力，用作 Floquet 调制。因此，所提出的晶格可以支持光子Floquet晶格中Bloch振荡的实验实现。在实验中，他们实施了氦氖激光器（633 nm）的可见光激发，并捕获了波导发出的荧光信号（650 nm）。
俯视荧光信号记录了连续谱演化的复杂细节，从而实现准确的定量分析。对于单点和宽光束激发，光子Floquet晶格中BOs的目视观察和相应的定量分析与各自的仿真结果具有很好的一致性。
光子Floquet-Bloch振荡本质上是一种相干现象，可以很容易地扩展到各种物理系统，如超冷原子、合成频率晶格和量子漫步。光子FBO的目视观察是理解其潜在输运机制的关键，对基础研究和实际应用都具有重要影响。
对于基础研究，现象的简单可视化和对制造结构的高度控制可以进一步探索涉及FBO的基本现象分支，例如FBO与二元晶格、非厄米特晶格和光学非线性之间的相互作用。
对于实际应用，所展示的光波操纵可以在不同的波系统中实现，并可能为波操纵、信号处理、高效频率转换和精密测量的广泛应用提供新的见解。
更多信息：Zhen Zhang等人，光子Floquet-Bloch振荡的视觉观察，光：科学与应用（2024）。DOI： 10.1038/s41377-024-01419-z