实验室在光学非互易研究中取得进展
2021年2月10日
近日，清华大学物理系刘永椿副教授等人提出了一种利用耗散实现光学非互易的新型物理机制，无需依赖于磁场、介电常数调制及非线性效应，仅利用系统能量耗散，可实现光学非互易及能量单向传输。研究成果以“Loss Induced Nonreciprocity”为题在《Light: Science & Applications》发表。
光学非互易是指光场沿一个方向通过光学系统后，不能沿原路径返回的特性。实现光学非互易无论是在光通信、光信息处理、基础物理研究还是交叉学科研究中都有重要的意义。产生光学非互易的难点在于打破洛伦兹互易定理，目前可行的方法可归为三类。第一类方法是引入磁场，打破时间反演对称性，从而打破洛伦兹互易定理，由于这种方法需要利用磁光材料，且需要外加强磁场，难于实现集成应用。第二类方法是通过引入介电常数的时空调制来打破洛伦兹互易定理。由于该方法要求不同位置处的介电常数都进行动态调制，其实现较为困难。第三类方法是通过引入光学非线性来打破洛伦兹互易定理。由于一般光学材料非线性较弱，这种方法通常需要很强的光强，难于应用于弱光情况，而且这种方法只能实现不完全的非互易。
图1：耗散诱导非互易理论模型。a-b: 通过引入具有耗散的连接模式，在无直接相互作用的系统模式间建立多通道的等效耦合；c: 多耦合通道干涉诱导实现非互易的物理机制。
该工作提出了一种利用系统能量耗散实现光学非互易的新型物理机制。如图1所示，通过引入存在耗散的连接模式，无直接相互作用的系统模式间可产生等效耦合，其耦合相位包括相干耦合相位和耗散相位两部分。由于耗散相位与能量传输方向无关，通过引入多个耗散模式，不同的等效耦合通道间发生干涉，使前后方向的等效耦合强度不同，从而产生光学非互易性。进一步地，通过调节相干耦合和耗散相位使其满足单向耦合条件，可在系统中实现单向能量传输（图2）。
图2：单向能量传输结果。通过调节相干耦合和耗散相位，在满足单向耦合条件时，可实现两模式（a-b）和三模式（c-d）的单向能量传输。
不同于依赖磁场、非线性和介电常数时空调制来产生光学非互易的方案，该研究工作提出了一种利用普遍存在于物理系统中的能量耗散来产生光学非互易的新型物理机制。该方案具备普适性，为非互易器件的设计和耗散系统拓扑特性的研究提供新的思路。
该研究成果以“Loss Induced Nonreciprocity”为题发表在2021年2月4日的Light: Science an Application上。物理系博士后黄馨瑶为论文第一作者，刘永椿副教授为通讯作者，论文合作者还包括北京理工大学物理学院路翠翠研究员。该研究工作得到了基金委、科技部、清华大学低维量子物理国家重点实验室、量子信息前沿科学中心、广东省科技厅等的资助。