洛倫茲互易是電磁學(xué)中的一個重要定理，它指出將源和觀察點(diǎn)的位置互換，產(chǎn)生電磁場的效果是一樣的。在光頻段，實(shí)現(xiàn)光的非互易傳輸，不僅在基礎(chǔ)科學(xué)研究方面具有重要的意義，而且在設(shè)計(jì)隔離器、環(huán)形器、定向放大器等多種器件方面起著不可或缺的作用。因此，如何突破洛倫茲互易定理的限制，實(shí)現(xiàn)非互易傳輸，是光學(xué)領(lǐng)域長久以來人們一直關(guān)注的重要問題。傳統(tǒng)方法利用磁光晶體的法拉第旋光效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)光學(xué)非互易，但由于需要外加磁場，限制了其在小型化和集成化系統(tǒng)中的應(yīng)用。近年來，無磁光學(xué)非互易的實(shí)現(xiàn)吸引了人們的廣泛關(guān)注。然而，目前人們尚未發(fā)現(xiàn)能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)高隔離度、寬隔離帶寬和低插入損耗的有效方法。例如，常見的方法需要用到高品質(zhì)因子的光學(xué)腔，利用腔增強(qiáng)的相互作用，可以實(shí)現(xiàn)較高的隔離度，但由于光學(xué)腔存在時(shí)間帶寬極限，其帶寬通常很窄，典型值在10 MHz以下。 

  圖1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和典型實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

     （a）和（b）為實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)圖。立方體表示原子氣室，黃色原子表示銣原子，綠色原子表示緩沖氣體，箭頭表示原子運(yùn)動方向。綠色和藍(lán)色的光是控制光，紅色的光是探測光。（a）表示同向傳輸?shù)那闆r，（b）表示反向傳輸?shù)那闆r。（c）和（d）為典型實(shí)驗(yàn)結(jié)果。（c）畫出了探測光的透過率譜，橫坐標(biāo)為探測光失諧，藍(lán)線表示同向傳輸?shù)那闆r，紅線表示反向傳輸?shù)那闆r，灰線表示沒有控制光的情況。（d）是對應(yīng)的隔離度和對比度。（c）和（d）中陰影部分表示隔離度大于20 dB的頻率范圍。

       近日，物理系劉永椿副教授等人提出基于熱原子碰撞實(shí)現(xiàn)高性能光學(xué)非互易的方法，實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了同時(shí)具有高隔離度（~ 40dB）、寬隔離帶寬（> 1.2GHz）和低插入損耗（< 1dB）的光學(xué)非互易。通常情況下，熱原子碰撞會帶來退相干等負(fù)面影響，是實(shí)驗(yàn)上需要避免的。他們發(fā)現(xiàn)對于實(shí)現(xiàn)光學(xué)非互易來說，原子相干性并非最重要的影響因素，原子在基態(tài)能級之間的布居差起著更關(guān)鍵的作用?；诔溆秀?7原子和緩沖氣體的原子氣室，利用兩束控制光（圖1中的Coupling光和Switching光），他們實(shí)現(xiàn)了銣87原子基態(tài)能級的布居數(shù)與探測光運(yùn)動方向的鎖定，使探測光與控制光同向傳輸時(shí)被強(qiáng)烈吸收，而與控制光反向傳輸時(shí)卻幾乎不被吸收，即實(shí)現(xiàn)了探測光的非互易傳輸。通過結(jié)合緩沖氣體原子碰撞引起的碰撞展寬和原子熱運(yùn)動引起的多普勒展寬，并進(jìn)一步利用展寬引起的相鄰能級共振譜線的交疊，極大地實(shí)現(xiàn)了隔離帶寬的增加。實(shí)驗(yàn)的典型結(jié)果如圖1(c)-(d)所示, 最高隔離度達(dá)40 dB, 同時(shí)隔離度大于20 dB的頻率范圍超過1.2 GHz，該帶寬比原子光譜的自然線寬大了超過兩個數(shù)量級。 

 圖2 雙向隔離的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

（a）畫出了探測光的透過率譜，探測光失諧掃描范圍為從-5 GHz到10 GHz，藍(lán)線表示同向傳輸?shù)那闆r，紅線表示反向傳輸?shù)那闆r。（b）是對應(yīng)的隔離度。陰影部分對應(yīng)隔離度高于20 dB的頻率范圍。

       利用原子系統(tǒng)中豐富的能級結(jié)構(gòu)，他們還發(fā)現(xiàn)雙向隔離的現(xiàn)象。如圖2所示，通過進(jìn)一步增大探測光頻率掃描的范圍，可以觀測到兩個隔離效果相反的非互易傳輸窗口，兩個窗口相距約6.8 GHz，正好對應(yīng)銣87原子基態(tài)超精細(xì)能級的分裂，這為光場非互易的調(diào)控提供了新的思路。

       該研究成果以“Collision-Induced Broadband Optical Nonreciprocity”為題發(fā)表在Physical Review Letters上。物理系2018級博士生梁超和已出站的博士后劉貝（現(xiàn)為山東大學(xué)副研究員）為論文共同第一作者，劉永椿副教授為通訊作者，論文合作者還包括物理系鄭盟錕副教授和尤力教授、北京理工大學(xué)物理學(xué)院路翠翠研究員和南京大學(xué)現(xiàn)代工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院夏可宇教授。該研究工作得到了基金委、科技部、清華大學(xué)低維量子物理國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、量子信息前沿科學(xué)中心和廣東省科技廳的資助。

文章鏈接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.125.123901

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