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    清华大学物理系在光学非互易性研究方面取得了进展

    发布日期:2021-02-10 17:25 物理论文

    近日,清华大学物理系副教授刘永春等研究人员提出了一种利用耗散实现光学非互易的新物理机制,该机制不依赖于磁场、介电常数调制和非线性效应,仅利用系统能量耗散实现光学非互易和单向能量传输。研究结果发表于《光:科学与应用(Light: Science Applications)》,题目为“损失诱导的不可逆”。

    光学不可逆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。光非互易性的实现在光通信、光信息处理、基础物理研究和交叉学科研究中具有重要意义。产生光学非互易的难点在于打破洛伦兹互易定理,目前可行的方法可分为三类。第一种方法是引入磁场,打破时间反转对称性,从而打破洛伦兹互易定理。由于这种方法需要磁光材料和外加磁场,很难实现集成应用。第二种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。因为这种方法需要对不同位置的介电常数进行动态调制,所以很难实现。第三种方法是通过引入光学非线性来打破洛伦兹互易定理。由于一般光学材料的非线性很弱,这种方法通常需要很强的光强,很难应用到弱光条件下,而且这种方法只能实现不完全互易。

    耗散诱导非互易性的理论模型。A-b:通过引入耗散连接模式,在没有直接相互作用的系统模式之间建立多通道等效耦合;c:多耦合通道干扰诱导实现非互易的物理机制

    本文提出了一种利用系统能量耗散实现光学非互易的新物理机制。如图1所示,通过引入耗散连接模式,可以在系统模式之间产生等效耦合,而无需直接相互作用,耦合阶段包括相干耦合阶段和耗散阶段。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,不同等效耦合通道之间发生干涉,使得前后方向的等效耦合强度不同,导致光学非互易。此外,通过调整相干耦合和耗散相位以满足单向耦合条件,可以在系统中实现单向能量传输(图2)。

    单向能量传输的结果。通过调整相干耦合和耗散的相位,满足单向耦合条件时,可以实现两模(a-b)和三模(c-d)的单向能量传输。

    与依靠磁场、非线性和介电常数时空调制产生光学不可逆的方案不同,本研究工作提出了一种利用物理系统中存在的能量耗散产生光学不可逆的新物理机制。该方案具有普适性,为非互易器件的设计和耗散系统拓扑特性的研究提供了新的思路。

    清华大学物理系博士后黄馨瑶是论文的第一作者,副教授刘永春是通讯作者。研究工作得到了国家自然科学基金、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、广东省科技厅和博士后创新人才支持计划的资助。


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