我校郭光燦院士團(tuán)隊在腔光力系統(tǒng)研究方面取得新進(jìn)展。該團(tuán)隊的董春華教授研究組通過光輻射壓力實現(xiàn)兩光學(xué)模式和兩機(jī)械模式間的相互作用，進(jìn)而實現(xiàn)了任意兩模式間全光控的非互易頻率轉(zhuǎn)換。該研究成果于2023年1月6日發(fā)表在國際學(xué)術(shù)期刊《Physics Review Letters》。
光學(xué)和聲學(xué)非互易器件在構(gòu)建基于光子和聲子的信息處理和傳感系統(tǒng)中是非常重要的元器件。雖然磁誘導(dǎo)非互易已廣泛應(yīng)用于分立光學(xué)非互易器件，但在器件集成化方面仍面臨挑戰(zhàn)。同時，磁誘導(dǎo)聲學(xué)非互易由于效應(yīng)較弱，也難以實現(xiàn)集成的聲學(xué)非互易器件。腔光力學(xué)系統(tǒng)是實現(xiàn)無磁非互易的有效系統(tǒng)之一，在之前的工作中研究組已經(jīng)演示了基于腔光力相互作用的無磁光學(xué)環(huán)形器(Nature Communications 9, 1797 (2018))。
圖注：a-b.光力微腔中四模式耦合；c.相位控制的非互易頻率轉(zhuǎn)換的理論和實驗結(jié)果。
在本工作中，研究組研究了單個微腔中光子和聲子的非互易轉(zhuǎn)換。利用兩個光學(xué)模式和兩個機(jī)械模式通過光力相互作用構(gòu)成閉環(huán)四模元格，這四個模式具有完全不同的頻率，分別為388 THz、309 THz、117 MHz和79 MHz。研究組演示了四個模式中任意兩個節(jié)點之間的非互易轉(zhuǎn)換，包括聲子-聲子（MHz-MHz）、光子-光子（THz-THz）和光子-聲子（THz-MHz）的非互易轉(zhuǎn)換。該非互易轉(zhuǎn)換的原理正是利用光力微腔中的多個模式構(gòu)建人工規(guī)范場（詳見研究組的另一工作Physics Review Letters 126, 123603 (2021))，通過控制光的相位實現(xiàn)規(guī)范場中幾何相位，從而可以實現(xiàn)全光控制的靈活的非互易轉(zhuǎn)換。接下來，在該元格中引入第三個機(jī)械模式，實現(xiàn)了聲子環(huán)形器，該環(huán)形器的方向受兩個獨立的控制光相位決定。
該實驗結(jié)果可以推廣到微腔內(nèi)其他的光學(xué)模式和機(jī)械模式，構(gòu)建更多節(jié)點的混合網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)信息在混合網(wǎng)絡(luò)中的單向傳輸，這在通訊和信息處理領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用，特別是在光學(xué)波分復(fù)用網(wǎng)絡(luò)和用于連接不同頻率下工作的分立量子系統(tǒng)。
沈鎮(zhèn)、張延磊為該論文的共同第一作者，董春華為該論文的通訊作者。上述研究得到了科技部重點研發(fā)計劃、中國科學(xué)院、國家自然科學(xué)基金委、量子信息與量子科技前沿協(xié)同創(chuàng)新中心等單位的支持。
附論文鏈接：
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.130.013601
（中科院量子信息重點實驗室、中科院量子信息和量子科技創(chuàng)新研究院、物理學(xué)院、科研部）
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