Selbstständige Modenkopplung 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.