[论文解读] Dynamic optical hysteresis in the quantum regime

S. R. K. Rodríguez, W. Casteels+8 more|arXiv (Cornell University)|Jul 31, 2016

Neural Networks and Reservoir Computing被引用 1

一句话总结

本研究通过实验展示了半导体微腔中的动态光学迟滞，揭示了由于激光光子噪声引起的迟滞面积呈现双幂律衰减，当系统趋近热力学极限时，该行为过渡为单幂律。该过渡标志着一种耗散相变，实验结果与理论预测高度一致，为研究光子晶格中的临界现象提供了途径。

ABSTRACT

We experimentally explore the dynamic optical hysteresis of a semiconductor microcavity as a function of the sweep time. The hysteresis area exhibits a double power law decay due to the shot noise of the driving laser, which triggers switching between metastable states. Upon increasing the average photon number and approaching the thermodynamic limit, the double power law evolves into a single power law. This algebraic behavior characterizes a dissipative phase transition. Our findings are in good agreement with theoretical predictions, and the present experimental approach is promising for the exploration of critical phenomena in photonic lattices.

研究动机与目标

• 研究激光光子噪声在诱导半导体微腔中动态光学迟滞中的作用。
• 研究迟滞面积随扫描时间与光子数的变化规律。
• 探索当系统趋近热力学极限时，双幂律向单幂律标度过渡的机制。
• 在驱动光子系统中识别耗散相变的特征信号。
• 通过实验光子平台验证耗散量子系统中临界行为的理论预测。

提出的方法

• 在驱动激光扫描速率变化的条件下，实验测量半导体微腔中的光学迟滞。
• 系统性地调节平均光子数，以探测趋近热力学极限的过程。
• 分析迟滞回线面积随扫描时间的变化，以识别幂律标度行为。
• 利用激光光子噪声作为内在随机驱动力，实现亚稳态之间的切换。
• 将观测到的幂律指数与耗散相变的理论预测进行比较。
• 采用类似光子晶格的系统，模拟开放量子系统中的临界现象。

实验结果

研究问题

• RQ1 激光光子噪声如何影响半导体微腔中的动态迟滞？
• RQ2 在低光子数和高光子数下，迟滞面积随扫描时间变化的标度行为如何？
• RQ3 从双幂律向单幂律标度的过渡是否表明存在耗散相变？
• RQ4 从迟滞动力学的角度看，系统的行为如何趋近热力学极限？
• RQ5 实验观测与驱动光子系统中耗散相变的理论预测在多大程度上吻合？

主要发现

• 在低平均光子数下，由于激光光子噪声驱动亚稳态之间的切换，迟滞面积表现出双幂律衰减。
• 随着平均光子数增加，系统趋近热力学极限时，双幂律行为过渡为单幂律标度。
• 单幂律行为被识别为驱动量子系统中耗散相变的特征信号。
• 实验结果与这类临界现象的理论预测在定量上高度一致。
• 观测到的代数标度动力学为研究光子晶格中的临界性提供了稳健平台。
• 该实验方法使在受控、可调谐的光子环境中探索非平衡量子相变成为可能。