我院与华东理工大学合作在常温无磁场光隔离领域取得突破

发布者:钟芳发布时间:2018-10-23

      最近,我院夏可宇教授与上海华东理工大学龚尚庆教授、钮月萍教授团队合作,共同理论提出并指导实验利用环形光学腔中常温下原子随机热运动诱导的微观多普勒频移实现了常温下全光控制光非互易传输和光隔离。该成果以“Thermal-motion-induced non-reciprocal quantum optical system”为题,于20181022日在线发表在《自然光子学》上(Nature Photon.  https://www.nature.com/articles/s41566-018-0269-2.pdf)

      光非互易传输指光沿一个方向通过光学系统或者介质后的特性与其反方向通过后的特性不同。光非互易传输既有基础科学意义,又在光通信、光学系统稳定和光信息处理领域有重要应用,是光隔离器的物理基础。传统光隔离器主要利用法拉第旋光效应,通过在磁光介质中施加强磁场改变其中传输的光的偏振来实现。其尺寸大,需要强磁场而难以集成。探索无磁光隔离新原理和新技术是光非互易研究的前沿,可以用于集成光路。此外,已有很多方法需要低温,导致系统复杂。

      夏可宇教授与华东理工大学合作者创造性地提出一种可以在常温下实现无磁场光非互易和光隔离的原理,并在华东理工大学量子光学实验室原理演示。该方案利用了通常认为有害的原子微观热运动,实现了常温下光隔离。在一个环形光学腔中嵌入常温铷原子气体,构建一个腔量子电动力学系统。从两个相反方向入射到光学腔的弱探测光激发两个相反方向传输的光学模式,这两个腔模都与原子有同样强相互作用。由于原子在常温下有强烈的随机热运动,两个光学腔模与原子耦合中存在微观多普勒效应。此时,系统对于该探测光是互易的。利用一个外加控制激光束照射原子团。结果与该光束同向传输的腔模相对于原子感受到同样的微观多普勒频移。原子对探测光的响应受多普勒效应的影响被极大地抵消。而反向传输的腔模的多普勒频移与控制光的相反,对原子响应的影响得到增强。这样,从系统相反方向入射的光具有不同的透过率,实现了无磁场全光光隔离。基于此原理设计的光隔离器将能够工作在常温,结构简单,易于集成。并且理论原理论证适用于单光子隔离。

      夏可宇教授为论文共同通讯作者,与主要合作者一起完成了初始原理提出、实验方案设计和理论建模等。该研究由国家重点研发计划、国家自然科学基金、上海自然科学基金及青年千人计划资助完成。同时感谢上海华东理工大学物理学院和南京大学现代工程学院、固体微结构实验室及协同创新中心等单位和平台的支持。

(夏可宇  供稿)