Los ciclos límite mesoscópicos resisten las fluctuaciones cuánticas

Utilizando dos nanolasers acoplados, los investigadores del IAC-3/UIB, en colaboración con el del C2N (Centre de Nanosciences et De Nanotechnologies) y la Universidad de California en San Diego (EE. UU.) han demostrado la existencia de ciclos límite mesoscópicos, con solo mil fotones en las cavidades, influenciados en gran medida por el ruido cuántico de la emisión espontánea. Este trabajo fue publicado en Physical Review Letters.

Mesoscopic limit cycles in coupled nanolasers, M. Marconi. F. Rainer, A. Levenson, A. M. Yacomotti, J. Javaloyes, S. H. Pan, A. El Amili, et Y. Fainman
Physical Review Letters (2020)
DOI : https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.124.213602

Sumario:

Cualquier sistema dinámico disipativo “libre”, como un péndulo que experimenta fricción en el aire, termina a largo plazo en un estado de reposo. Sin embargo, si es un sistema no lineal y se le suministra energía continuamente, el sistema puede desarrollar un movimiento periódico: es un ciclo límite. Se dice que estas oscilaciones rompen espontáneamente la simetría de la traslacion temporal, porque las fuerzas que actúan sobre el sistema no tienen un “reloj externo”. En fotónica, el fenómeno del ciclo límite despierta un gran interés como el embrión de muchas aplicaciones, como los peines de frecuencia, las fuentes de luz pulsadas, las llamadas inestabilidades “paramétricas” y porque constituye una posible ruta al caos. Aunque se entiende en física clásica, la existencia del ciclo límite en el dominio cuántico es, sin embargo, controvertida.

Hoy, queda abierta la cuestión de la supervivencia, o no, de los ciclos límite sujetos a grandes fluctuaciones cuánticas. el equipo de investigadores han desarrollado un nuevo enfoque para abordar la cuestión de la existencia de ciclos límite en presencia de fuertes fluctuaciones. El trabajo consiste en el uso de nanolasers, sistemas intrínsecamente influenciados por las fluctuaciones cuánticas del ruido de emisión espontánea. Los investigadores proporcionaron así una prueba estadística experimental de la existencia de ciclos límite de naturaleza estocástica, llamados “ciclos límite mesoscópicos”, a medio camino entre el nanoscópico (unos pocos fotones) y el macroscópico (un campo láser convencional).

La imagen corresponde a un batido modal de dos nanolasers acoplados en cristal fotónico (arriba a la izquierda), lo que lleva a “ciclos límite mesoscópicos”. A pesar de las fuertes fluctuaciones cuánticas que reducen considerablemente el tiempo de vida del ciclo límite, la intensidad en una de las cavidades desarolla miles de oscilaciones antes de que se apague (abajo a la izquierda). Derecha: simulaciones numéricas del parámetro de orden teniendo en cuenta la amplitud del ciclo límite (A) y las correlaciones cruzadas de segundo orden o [g (2) BA (0)] que muestran una transición entre el régimen macroscópico [ g (2) BA (0) = 1] y el denominado régimen mesoscópico [g (2) BA (0) = 2/3], en función de la inversa del factor de emisión espontánea (1 / β). Este último está vinculado al número característico de fotones intracavidad, que define el “tamaño del sistema”. La estrella roja indica nuestro resultado experimentalL.