Non-Hermitian effects due to asymmetric backscattering in optical microresonators

• Applicant: Professor Dr. Jan Wiersig
• Subject Area: Optics, Quantum Optics and Physics of Atoms, Molecules and Plasmas
• Term: from 2013 to 2018
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 250310395

• Final Report Year: 2017

Final Report Abstract

Ziel des Forschungsvorhabens war die umfassende Untersuchung einer Reihe von nicht-Hermiteschen Phänomenen, welche durch asymmetrische Rückstreuung von Licht in Flüstergalerie-Mikroresonatoren induziert werden. Zuerst konnte gezeigt werden, dass die Bandstruktur von gekoppelten Resonatoren nicht-Hermitesche Entartungen an exzeptionellen Punkten (EPs) im Parameterraum besitzen kann. Die nähere Untersuchung offenbarte, dass an diesen Punkten die Gruppengeschwindigkeit divergiert, aber die Lichtintensität sich mit endlicher Geschwindigkeit bewegt. Des weiteren wurden im Rahmen des Projekts Störungstheorien zur Beschreibung von Mikroresonatoren mit schwacher Randdeformation und von allgemeinen offenen Quantensystemen mit schwach gekoppelten gegenläufig propagierenden Wellen entwickelt und erfolgreich getestet. Die asymmetrische Rückstreuung von Licht und die Chiralität von optischen Moden in Mikroresonatoren wurde mit externen Kooperationspartnern experimentell direkt nachgewiesen. Das neue Konzept des „EP-Sensors“ wurde eingeführt und die erhöhte Empfindlichkeit bei der Detektion von Nanopartikeln wurde mit externen Kooperationspartnern experimentell bestätigt. Mit numerischen Simulationen konnte aufgedeckt werden, dass Mikroresonatoren mit asymmetrischer Rückstreuung bei Rotation eine dramatische Änderung des Fernfeldes aufweisen. Dies konnte für sehr sensitive Mikrogyroskope ausgenutzt werden. Abschließend wurde aufgedeckt, dass asymmetrische Rückstreuung auch in der Strahlendynamik innerhalb solcher Mikroresonatoren relevant sein kann. Aufwendige numerische Rechnungen zeigten Chiralität, Gleichläufigkeit und Nichtorthogonalität in den Eigenzuständen des Zeitentwicklungsoperators der Phasenraumdichte.

Publications

• Chiral and nonorthogonal eigenstate pairs in open quantum systems with weak backscattering between counterpropagating traveling waves. Phys. Rev. A, 89:012119, 2014
  J. Wiersig
  
• Enhancing the sensitivity of frequency and energy splitting detection by using exceptional points: application to microcavity sensors for single-particle detection. Phys. Rev. Lett., 112:203901, 2014
  J. Wiersig
  
• Non-hermitian-transport effects in coupled-resonator optical waveguides. Phys. Rev. A, 90:053819, 2014
  H. Schomerus and J. Wiersig
  
• Rotating optical microcavities with broken chiral symmetry. Phys. Rev. Lett., 114:053903, 2015
  R. Sarma, L. Ge, J. Wiersig, and H. Cao
  
• Chiral modes and directional lasing at exceptional points. Proceedings of Nat. Acad. of Sci. USA, 113:6845, 2016
  B. Peng, S. K. Özdemir, M. Liertzer, W. Chen, J. Kramer, H. Yilmaz, J. Wiersig, S. Rotter, and L. Yang
  
• Frobenius–Perron eigenstates in deformed microdisk cavities: non- Hermitian physics and asymmetric backscattering in ray dynamics. New J. Phys., 18:015005, 2016
  J. Kullig and J. Wiersig
  
• Perturbation theory for asymmetric deformed microdisk cavities. Phys. Rev. A, 94:043850, 2016
  J. Kullig and J. Wiersig
  
• Exceptional points enhance sensing in an optical microcavity. Nature, 548:192–196, 2017
  W. Chen, S. K. Özdemir, G. Zhao, J. Wiersig, and L. Yang