当前位置: 首页 » 资讯 » 产业资讯 » 产业 » 正文

南京大学夏可宇和陆延青教授团队在量子拓扑光子学领域取得进展

放大字体  缩小字体 发布日期:2022-05-20 来源:南京大学浏览次数:228
 南京大学夏可宇与陆延青教授团队与日本理化所Franco Nori教授、天津大学聂伟副教授合作在量子拓扑光子学领域取得进展。

与凝聚态物质中的电子能带结构类似,已有的周期性光子结构显示出非平凡的能带结构,并允许缺陷免疫光子输运,在光传输调控中有许多重要应用。 然而,为了摆脱背向散射引起的光子损耗,拓扑光学系统只有在外部或者合成磁场存在的情况下,才可以打破光子传输过程中的时间反演对称性,从而获得抗背向散射的子单向传输,实现光隔离由于强磁场的约束,这种周期光子微结构难以集成和小型化因此,探索实现无磁非互易光子带结构,尤其是对量子光有效的,将极大促进光子量子信息技术的发展。

基于麦克斯韦方程组的经典电磁场理论认为没有输入和激励源的空间内不存在电磁场。从无源麦克斯韦方程出发推导的洛伦兹互易定理是线性时不变电磁系统普遍遵从的基本物理规律。然而,根据量子光学理论,即使没有输入和激励,真空存在量子涨落即量子真空场,导致其中的电磁场不为零。因此,如何利用量子真空场打破洛伦兹互易定理是一个基础科学问题。相比各种传统的方法,手性量子光学系统可以利用量子机制实现光学非互易提供前所未有的传统量子信息处理能力。本工作理论提出利用量子发射器(Quantum emitters, QEs)耦合共振光学波导(Coupled-resonator optical waveguide, CROW)中的量子真空场之间的手性相互作用实现无需磁场的非互易单光子拓扑能带结构和单光子隔离

工作提出了一种新型无磁拓扑光学系统——手性QE-CROW量子光学系统——来实现光学非互易如图1 (a)所示,系统由具有周期性结构的CROW和二能级QE阵列组成。在CROW中,每个微环腔的倏逝场具有完美的圆偏振,光学手性近乎为一,构成自旋-动量锁定对于二能级QE可以通过初始化基态或利用光学斯塔克效应来诱导手性跃迁。在此配置下,当正向入射时,二能级QE阵列与CROW耦合形成L型三聚体链 [见图1 (b)],而反向入射时,二能级QE阵列与CROW解耦,形成二聚体链 [见图1 (c)]。这种独特结构表现出非互易的能带结构特征,从而带来了许多新颖的物理现象以及潜在应用。

1 (a) 手性QE-CROW系统示意图。箭头表示对于13端口输入(正向入射)的回音壁模式传播方向。24端口输入(反向入射)激发相反的传播模式。具有极化跃迁的QEs周期性耦合A子晶格的顺时针模式。(b) 正向入射情况下表现L型三聚体链特征(c) 反向入射情况下表现二聚体链特征

2 (a, b) 非互易能带结构,其中(a)对应反向激发(b)对应正向激发;(c, d)非互易能谱,其中(c)对应反向激发,(d)对应正向激发;(e-g)边界态元胞概率分布,其中(e)对应反向激发,(d, e)应正向激发。

通过考虑拓扑SSH模型结构,研究人员展示了当CROW元胞内耦合小于元胞间耦合时, 系统会表现出非互易的单光子平带和边界态,见图2。这种非互易的拓扑态可以用来构建边界态遂穿诱导的单光子环形器。更有趣的是,当CROW元胞内耦合元胞间耦合相等时,即在标准SSH模型平庸的情况下,系统会出现非互易的单光子带隙,见图3 (a, b) 研究人员展示了在这种情况下可以实现频率复用的单光子环形器。同时,受非互易带隙保护,单光子传输具有很强的免疫背向散射的特性。因此,该系统有望实现一种新型的抗背向散射的光学器件。

(a, b)非互易单光子带隙,其中(a)对应反向激发,(b)对应正向激发;(c, d) 非互易透射谱。

该研究工作扩展了拓扑光子结构的能带特征,表现出显着的无磁量子非互易性,发现的无磁非互易光子行为揭示了与凝聚态电子系统中没有的物理特性。

该成果以"Nonreciprocal Single-photon Band Structure"为题在物理学权威期刊《Physical Review Letters发表。南京大学博士生唐江山为论文的第一作者,夏可宇教授为通讯作者,陆延青教授对该工作提供了指导性意见,天津大学理学院量子交叉研究中心聂伟副教授日本理化学研究所Franco Nori教授对工作做出了重要贡献,南京大学博士生唐磊、陈明远和苏欣为合作作者工作得到了科技部重点研发计划项目、国家自然科学基金委江苏省"双创人才"和"双创团队"计划及南京大学卓越研究计划项目的支持,尤其是受到了林海青院士在科技部重点研发计划项目总结中关于光学系统与凝聚态系统拓扑特性比较的问题的启发。

论文链接:https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.128.203602

 
【版权声明】本网站所刊原创内容之著作权为「中国半导体照明网」网站所有,如需转载,请注明文章来源——中国半导体照明网;如未正确注明文章来源,任何人不得以任何形式重制、复制、转载、散布、引用、变更、播送或出版该内容之全部或局部。
 
[ 资讯搜索 ]  [ 加入收藏 ]  [ 告诉好友 ]  [ 打印本文 ]  [ 关闭窗口 ]

 
0条 [查看全部]  相关评论

 
关于我们 | 联系方式 | 使用协议 | 版权隐私 | 诚聘英才 | 广告服务 | 意见反馈 | 网站地图 | RSS订阅