Спонтанная синхронизация, достигнутая в наномасштабе

]

Исследователи из группы фононных и фотонных наноструктур ICN2 провели исследование, которое впервые синхронизировало пару оптомеханических генераторов. Эта работа закладывает прочную основу для создания реконфигурируемых сетей таких генераторов с потенциальным применением в нейроморфных вычислениях, области исследований, которая намеревается имитировать неврологические структуры для улучшения вычислений.

В конце живого шоу зрители просят «Encore» под ритмичный ритм. Что заставило ритм появиться из первоначально рассеянных хлопков? Почему стаи птиц или стаи рыб движутся в унисон, не зная намерений друг друга? Эти, казалось бы, не связанные явления, и многие другие, от субатомного уровня до космических масштабов, являются результатом явления, называемого синхронизацией.

Несмотря на столь распространенный характер, это явление было впервые задокументировано в 1665 году, когда лорд Гюйгенс обнаружил, что его две маятниковые часы, подвешенные на одной структуре, в конечном итоге качались навстречу друг другу независимо от их начального состояния, т.е. Часы синхронизированы в противофазе. Общая структура, из которой висят маятники, является важной частью системы, поскольку она передает от одного маятника к другому возмущения, которые генерирует каждый из них, вызывая окончательную синхронизацию.

Хотя найти примеры в макроскопических масштабах довольно просто, сложно получить аналогичные результаты в наномасштабе. Спонтанная синхронизация между двумя системами требует разных условий. Например, обе системы должны быть самоподдерживающимися генераторами, что означает, что они способны генерировать свои собственные ритмы без необходимости внешнего источника. Более того, они должны синхронизироваться из-за слабого взаимодействия, а не потому, что системы сильно связаны.

Эти требования были впервые выполнены для двух так называемых оптомеханических осцилляторов в работе с аспирантами Мартином Коломбано и Гильермо Аррегуи из ICN2 Phononic and Photonuresru Nanost. Группа, как первые авторы. Исследование было проведено профессором ICREA доктором Кливией Сотомайор-Торрес руководителем группы вышеупомянутой группы ICN2, и доктором Дэниелом Наварро-Урриосом из MIND-IN2UB и приглашенным докторантом Исследователь в ICN2. Они являются последними авторами статьи, опубликованной в Physical Review Letters в сотрудничестве с Universidad de La Laguna, NEST-CNR и Universitat Politècnica de València, в рамках проекта FET Европейской комиссии H2020 Open Project PHENOMEN ( H2020-EU-713450).

Исследователи стремились подражать эксперименту Гюйгенса в масштабе, в 10 000 раз меньшем. Для достижения этого они использовали два оптико-механических (ОМ) генератора, изготовленных из кремния, связанных узким пучком. В отличие от маятников Гюйгенса, которые приводились в движение механическим движением часов, генераторы ОМ приводятся в действие в виде самоподдерживающихся колебаний посредством сил, воздействующих на них инфракрасными лазерами. Каждый генератор получает свет от другого лазера, достигая своей собственной частоты вибрации. Однако один генератор (мастер) настроен на более сильные колебания, то есть с большей амплитудой, чем другой (ведомый). Эксперимент показывает, что благодаря лучу, соединяющему два генератора, частота Ведомого становится частотой Ведущего, достигая синхронизации. Исследователи также смогли управлять коллективной динамикой, то есть синхронизированным состоянием, воздействуя на один генератор другим лазером. Если один генератор освещается напрямую, система выходит из синхронизированного состояния. После удаления лазера система самопроизвольно возвращается к синхронизации.

Являясь первым результатом такого рода, эта работа устанавливает прочную основу для реализации реконфигурируемых сетей оптомеханических генераторов, в которых разные части сети могут быть настроены для выполнения различных функций. Кроме того, чем больше осцилляторов, тем меньше шума генерирует система, что позволяет определять лучшие частоты. Эти результаты могут найти применение в нейроморфных фотонных вычислениях, области исследований, целью которой является имитация неврологических структур для улучшения вычислений.

Ссылка на статью:

Коломбано, М.Ф., Аррегуи, Г., Капудж, Н.Е., Питанти, А., Мэр, Дж., Гриоль, А., Гарридо, Б., Мартинес, А., Сотомайор-Торрес, С.М., Наварро-Урриос , D. Синхронизация оптомеханических полостей механическим взаимодействием . Physical Review Letters 123, 017402 (2019)
DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.123.017402

Источник: https://icn2.cat/en/

Source link