清華新聞網(wǎng)2月10日電 近日，清華大學(xué)物理系劉永椿副教授等科研人員提出了一種利用耗散實(shí)現(xiàn)光學(xué)非互易的新型物理機(jī)制，無(wú)需依賴(lài)于磁場(chǎng)、介電常數(shù)調(diào)制及非線(xiàn)性效應(yīng)，僅利用系統(tǒng)能量耗散，可實(shí)現(xiàn)光學(xué)非互易及能量單向傳輸。研究成果以“耗散誘導(dǎo)非互易（Loss Induced Nonreciprocity）”為題發(fā)表在《光：科學(xué)與應(yīng)用（Light: Science & Applications）》上。
光學(xué)非互易是指光場(chǎng)沿一個(gè)方向通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)后，不能沿原路徑返回的特性。實(shí)現(xiàn)光學(xué)非互易無(wú)論是在光通信、光信息處理、基礎(chǔ)物理研究還是交叉學(xué)科研究中都有重要的意義。產(chǎn)生光學(xué)非互易的難點(diǎn)在于打破洛倫茲互易定理，目前可行的方法可歸為三類(lèi)。第一類(lèi)方法是引入磁場(chǎng)，打破時(shí)間反演對(duì)稱(chēng)性，從而打破洛倫茲互易定理，由于這種方法需要利用磁光材料，且需要外加強(qiáng)磁場(chǎng)，難于實(shí)現(xiàn)集成應(yīng)用。第二類(lèi)方法是通過(guò)引入介電常數(shù)的時(shí)空調(diào)制來(lái)打破洛倫茲互易定理。由于該方法要求不同位置處的介電常數(shù)都進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)制，其實(shí)現(xiàn)較為困難。第三類(lèi)方法是通過(guò)引入光學(xué)非線(xiàn)性來(lái)打破洛倫茲互易定理。由于一般光學(xué)材料非線(xiàn)性較弱，這種方法通常需要很強(qiáng)的光強(qiáng)，難于應(yīng)用于弱光情況，而且這種方法只能實(shí)現(xiàn)不完全的非互易。
耗散誘導(dǎo)非互易理論模型。a-b: 通過(guò)引入具有耗散的連接模式，在無(wú)直接相互作用的系統(tǒng)模式間建立多通道的等效耦合；c: 多耦合通道干涉誘導(dǎo)實(shí)現(xiàn)非互易的物理機(jī)制。
該工作提出了一種利用系統(tǒng)能量耗散實(shí)現(xiàn)光學(xué)非互易的新型物理機(jī)制。如圖1所示，通過(guò)引入存在耗散的連接模式，無(wú)直接相互作用的系統(tǒng)模式間可產(chǎn)生等效耦合，其耦合相位包括相干耦合相位和耗散相位兩部分。由于耗散相位與能量傳輸方向無(wú)關(guān)，通過(guò)引入多個(gè)耗散模式，不同的等效耦合通道間發(fā)生干涉，使前后方向的等效耦合強(qiáng)度不同，從而產(chǎn)生光學(xué)非互易性。進(jìn)一步地，通過(guò)調(diào)節(jié)相干耦合和耗散相位使其滿(mǎn)足單向耦合條件，可在系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)單向能量傳輸（圖2）。
單向能量傳輸結(jié)果。通過(guò)調(diào)節(jié)相干耦合和耗散相位，在滿(mǎn)足單向耦合條件時(shí)，可實(shí)現(xiàn)兩模式（a-b）和三模式（c-d）的單向能量傳輸。
不同于依賴(lài)磁場(chǎng)、非線(xiàn)性和介電常數(shù)時(shí)空調(diào)制來(lái)產(chǎn)生光學(xué)非互易的方案，該研究工作提出了一種利用普遍存在于物理系統(tǒng)中的能量耗散來(lái)產(chǎn)生光學(xué)非互易的新型物理機(jī)制。該方案具備普適性，為非互易器件的設(shè)計(jì)和耗散系統(tǒng)拓?fù)涮匦缘难芯刻峁┬碌乃悸贰?/span>
清華大學(xué)物理系博士后黃馨瑤為論文第一作者，劉永椿副教授為通訊作者。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(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、量子信息前沿科學(xué)中心、廣東省科技廳、博士后創(chuàng)新人才支持計(jì)劃的資助。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41377-021-00464-2
供稿：物理系
編輯：溫興煜
審核：曲田
