de.wedoany.com-Bericht: Das Team um Peng Chao von der Fakultät für Elektronik der Universität Peking hat gemeinsam mit der Universität für Schiffsbauingenieurwesen Harbin und der ITMO-Universität Russlands in der Fachzeitschrift „Nature Nanotechnology“ eine Forschungsarbeit mit dem Titel „Optical multistability in a compact microcavity enabled by near-exceptional coupling“ veröffentlicht. Durch das Design nahezu entarteter Resonanzmoden mit extrem hohem Gütefaktor wurde eine nicht-hermitesche Kopplung nahe dem Ausnahmepunkt realisiert. Auf einem Silizium-Chip mit einem Durchmesser von nur 20 Mikrometern wurde erfolgreich eine optische Tristabilität mit niedriger Schwelle erreicht, was neue grundlegende Bauelemente für die mehrwertige optische Speicherung und optische neuronale Netze liefert.
Multistabilität bezeichnet das Vorhandensein mehrerer stabiler Zustände eines Systems unter denselben äußeren Bedingungen. Sie ist eines der Kernmerkmale komplexer nichtlinearer Systeme und ein Schlüsselelement für die Realisierung mehrwertiger optischer Speicher. Allerdings sind optische nichtlineare Effekte schwach, und die Realisierung optischer Multistabilität im Mikro- und Nanomaßstab stellt seit langem eine Herausforderung dar. Das Forschungsteam ging von der Symmetrie photonischer Kristall-Mikrokavitäten aus, nutzte die Brillouin-Zonen-Faltung zur Konstruktion entarteter Moden und führte durch strukturelle Störungen eine nicht-hermitesche Kopplung über einen gemeinsamen Abstrahlungskanal ein. Wenn sich das System dem Ausnahmepunkt nähert, koppeln die beiden charakteristischen Moden und hybridisieren, wodurch Hybridmoden mit nahezu gleicher Wellenlänge und Linienbreite entstehen. Dieser als „Near-Exceptional-Point Coupling (NEC)“ bezeichnete Zustand ermöglicht es der Mikrokavität, effizient Energie mit dem Abstrahlungskanal auszutauschen und stabile Wechselwirkungen zwischen den Moden aufrechtzuerhalten, was die Grundlage für das Auftreten optischer Multistabilität legt.
Im Experiment realisierte das Team in einer Silizium-Photonischen-Kristall-Mikrokavität mit einem Durchmesser von nur 20 Mikrometern Resonanzmoden mit einem Gütefaktor von bis zu 10⁶. Dank des extrem hohen Q-Faktors und der durch den NEC-Mechanismus verursachten Feldverstärkung in der Kavität für beide Moden zeigte das System tristabiles Verhalten, das auf der thermo-optischen Nichtlinearität basiert. Die experimentell beobachteten Hystereseschleifen zeigen, dass das System bei einer extrem niedrigen Eingangsleistung von nur 240 μW zwischen drei stabilen Zuständen umschalten kann.
Basierend auf dieser Entdeckung demonstrierte das Forschungsteam ein prototypisches Bauelement für mehrwertige optische Speicher. Durch Modulation der optischen Eingangsleistung oder der Wellenlänge kann das System schnell und zuverlässig zwischen drei stabilen Intensitätszuständen umschalten. Dieses Ergebnis bestätigt die Machbarkeit der Nutzung nicht-hermitescher Physik zur Steuerung optischer Nichtlinearitäten und liefert neue grundlegende Bausteine für die Entwicklung skalierbarer, rekonfigurierbarer optischer neuronaler Netze und neuromorpher Rechenprozessoren. Die Studie offenbart eine universelle Strategie zur Realisierung robuster Multistabilität in kompakten photonischen Systemen durch Kontrolle der Moden-Abstrahlungskopplung.
Die entsprechenden Ergebnisse wurden am 16. Juni 2026 in „Nature Nanotechnology“ veröffentlicht. Der Doktorand Liu Zhen von der Fakultät für Elektronik der Universität Peking ist der Erstautor. Dr. Wang Feifan und Professor Peng Chao von der Fakultät für Elektronik der Universität Peking und dem Nationalen Schlüssellabor für Photonenübertragung und -kommunikation sind die korrespondierenden Autoren der Arbeit. Diese Arbeit wurde durch das Nationale Schlüsselforschungs- und Entwicklungsprogramm Chinas, die Nationale Naturwissenschaftliche Stiftung Chinas und andere Projekte unterstützt.
Dieser Artikel wurde von Wedoany übersetzt und bearbeitet. Bei jeglicher Zitierung oder Nutzung durch künstliche Intelligenz (KI) ist die Quellenangabe „Wedoany“ zwingend vorgeschrieben. Sollten Urheberrechtsverletzungen oder andere Probleme vorliegen, bitten wir Sie, uns unverzüglich zu benachrichtigen. Wir werden den entsprechenden Inhalt umgehend anpassen oder löschen.
E-Mail: news@wedoany.com
