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物理学 > 光学

arXiv:2507.05253 (physics)
[提交于 2025年7月7日 ]

标题: 二维光子晶体中的隐蔽超均匀波动力学

标题: Stealthy-Hyperuniform Wave Dynamics in Two-Dimensional Photonic Crystals

Authors:Maria Barsukova, Zeyu Zhang, Brian Gould, Koorosh Sadri, Christian Rosiek, Søren Stobbe, Jonas Karcher, Mikael C. Rechtsman
摘要: 超均匀结构是空间模式,其涨落在长长度尺度上消失,使其在远距离观察时显得有效均匀。 数学上,这意味着它们的谱密度,$\tilde{\rho}({\bf k})$,在低波数时趋近于零,$|\textbf{k}|$。 晶体晶格是超均匀的,某些准晶体、球体的最大随机紧密堆积以及分数量子霍尔态中的电子也是如此。 隐匿-超均匀性是对谱密度的更强约束:它要求$\tilde{\rho}({\bf k})$在围绕$\mathbf{k}=\mathbf{0}$的有限波矢量范围内严格为零,称为隐匿区域或排斥区。 由于无序引起的散射程度,到主要阶次来说,与$\tilde{\rho}({\bf k})$成正比,因此波通过这些结构时,可能在足够长的波长和短距离下不发生散射。 在这里,我们通过测量光子带的线宽来测量具有隐匿-超均匀无序的光子晶体板中的无序散射。 我们观察到了隐匿区和非隐匿区之间的转变,其特征是线宽急剧增加。 我们还观察到了隐匿区内多重散射的影响,这表明透明度逐渐降低。 此外,我们证明了隐匿区内残余的单次散射来源于固有的非厄米效应:由于辐射损失从板中逸出,传播的光具有复数的有效质量。
摘要: Hyperuniform structures are spatial patterns whose fluctuations disappear on long length scales, making them effectively homogeneous when observed from afar. Mathematically, this means that their spectral density, $\tilde{\rho}({\bf k})$, approaches zero for low wavenumber, $|\textbf{k}|$. Crystalline lattices are hyperuniform, as are certain quasicrystals, maximally random jammed packing of spheres, and electrons in the fractional quantum Hall state. Stealthy-hyperuniformity is an even stronger constraint on the spectral density: it requires that $\tilde{\rho}({\bf k})$ is strictly zero in a finite range of wavevectors around $\mathbf{k}=\mathbf{0}$, called the stealthy regime, or exclusion region. Since the degree of scattering by disorder is, to leading order, proportional to $\tilde{\rho}({\bf k})$, waves propagating through such structures may do so without scattering for sufficiently long wavelengths and short distances. Here, we measure scattering by disorder in photonic crystal slabs with stealthy-hyperuniform disorder by measuring the linewidths of the photonic bands. We observe the transition between the stealthy and non-stealthy regimes, marked by a sharp increase in linewidth. We also observe the effects of multiple scattering in the stealthy regime, which implies diminishing transparency. Moreover, we show that residual single scattering in the stealthy regime arises from an intrinsically non-Hermitian effect: propagating light has a complex effective mass due to radiative loss out of the slab.
主题: 光学 (physics.optics) ; 无序系统与神经网络 (cond-mat.dis-nn); 中尺度与纳米尺度物理 (cond-mat.mes-hall); 软凝聚态物理 (cond-mat.soft)
引用方式: arXiv:2507.05253 [physics.optics]
  (或者 arXiv:2507.05253v1 [physics.optics] 对于此版本)
  https://doi.org/10.48550/arXiv.2507.05253
通过 DataCite 发表的 arXiv DOI(待注册)

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来自: Maria Barsukova [查看电子邮件]
[v1] 星期一, 2025 年 7 月 7 日 17:58:20 UTC (15,399 KB)
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