Nonlinear Discrete Optics in the Time Domain

• Applicant: Professor Dr. Ulf Peschel
• Subject Area: Optics, Quantum Optics and Physics of Atoms, Molecules and Plasmas ; Statistical Physics, Nonlinear Dynamics, Complex Systems, Soft and Fluid Matter, Biological Physics
• Term: from 2014 to 2021
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 259364470

• Final Report Year: 2020

Final Report Abstract

Die Dynamik der Wellenausbreitung stellt im Zusammenspiel mit der nichtlinear getriebenen Selbstorganisation von Licht einen fundamentalen Aspekt moderner Optikforschung dar. In diskreten Systemen wird die Wellenausbreitung zum einen auf ihre wesentlichen Aspekte reduziert und zum anderen erfolgreichen Analysemethoden aus Quantenmechanik und Festkörperphysik zugänglich gemacht. Damit erhöhen sich die Chancen auch kompliziertere Prozesse der Licht-Materie- Wechselwirkung und der Selbstorganisation von Licht, besser zu verstehen. Die im Projekt untersuchten Phänomene betreffen daher nicht nur optische Systeme, sondern berühren allgemein Fragestellungen der nichtlinearen Dynamik, wie sie bei der Untersuchung von Bose-Einstein- Kondensaten, Plasmawellen oder Anregungen in komplexen Molekülstrukturen auftreten. Gewonnene Erkenntnisse sind damit universell und weit über konkrete optische Systeme heraus relevant. Das durchgeführte Projekt widmete sich konkret der experimentellen Untersuchung der nichtlinearen Evolution optischer Pulse in zwei gekoppelten Faserschleifen leicht unterschiedlicher Länge bei zeitabhängiger Phasen- und Amplitudenmodulation, ein Aufbau, der neuerdings auch bei der Untersuchung von Quantum Random Walks zur Anwendung kommt. Die Pulsevolution in diesem Aufbau erfolgt in diskreten Umläufen und ist auch in der Position der Pulse in jedem Umlauf diskretisiert. Darüber hinaus konnte mit dem uns zur Verfügung stehenden Aufbau durch gezielte Manipulation von Phase und Amplitude während der Ausbreitung erstmalig ein PT-symmetrisches optisches System mit transversalen Freiheitsgraden realisiert werden. Im Rahmen des Projektes demonstrierten wir hier erstmalig Bloch-Oszillationen in einem PT-symmmetrischen System und führten nichtlineare Experimente durch. Es gelang der erstmalige experimentelle Nachweis von Solitonen in einem doppelt diskreten System und im Besonderen für PT-symmetrische Potentiale. Weiterhin wurde der zur Verfügung stehende Aufbau genutzt, um topologische Effekte zu untersuchen. Wir konnten erstmalig ein “Teilchen-Pumpen” durch periodische Parametervariation (Thouless-Pumping) in einem optischen System demonstrieren und über Auswertung des dabei zu Grunde liegenden anomalen Transports die Berry-Krümmung des Systems rekonstruieren. Weiterhin untersuchten wir die Wechselwirkung zwischen Topologie und Nichtlinearität und konnten nachweisen, dass Nichtlinearitäten den topologischen Schutz von Oberflächenzuständen in einem an sich nichttrivialen System aufheben können. Weitere Untersuchungen konzentrierten sich auf den erstmaligen experimentellen Nachweis des Kapitza-Effektes in optischen Systemen, das heißt auf die Ausbildung einer effektiven Abstoßung im Bereich oszillierender potentiale mit verschwindendem Mittelwert. Im Zusammenhang mit dem hier vorgestellten Projekt wurde im Rahmen der Internationalen Graduiertenschule 2101/2 “Guided light, tightly packed: novel concepts, components and applications” unserer experimenteller Aufbau erweitert, in dem unter Nutzung des Konzeptes der synthetischen Dimensionen eine weitere transversale Dimension dem System hinzugefügt wurde. Hier konnte dann die Solitonenbildung auch für zwei transversale Dimensionen demonstriert und ein nichtlinearer Wellenkollaps untersucht werden.

Publications

• “Observation of Bloch oscillations in complex PT-symmetric photonic lattices,” Scientific Reports 5, Article number: 17760 (2015)
  M. Wimmer, M.-A. Miri, D. Christodoulides, and U. Peschel
  
• “Observation of optical solitons in PT-symmetric lattices,” Nature Communications 6, 7782 (2015)
  M. Wimmer, A. Regensburger, M-A. Miri, C. Bersch, D. N. Christodoulides, and U. Peschel,
  
• “Experimental measurement of the Berry curvature from anomalous transport,” Nature Physics 13, 545-550 (2017)
  M. Wimmer, H. M. Price, I. Carusotto, and U. Peschel
  
• “Observation of Time Reversed Light Propagation by an Exchange of Eigenstates,” Scientific Reports 8, 2125 (2018)
  M. Wimmer and U. Peschel
  
• “Kapitza light guiding in photonic mesh lattice,” Optics Letters 44, pp. 6013-6016 (2019)
  A. L. M. Muniz, A. Alberucci, C. P. Jisha, M. Monika, S. Nolte, R. Morandotti, and U. Peschel
  
• “Stability of topologically protected edge states in nonlinear fiber loops,” Phys. Rev. A 100, 063830 (2019)
  A. Bisianov, M. Wimmer, U. Peschel, and O. A. Egorov,