與凝聚態(tài)物質(zhì)中的電子能帶結(jié)構(gòu)類似，已有的周期性光子結(jié)構(gòu)顯示出非平凡的能帶結(jié)構(gòu)，并允許對缺陷免疫的光子輸運(yùn)，在光傳輸調(diào)控中有許多重要應(yīng)用。 然而，為了擺脫背向散射引起的光子損耗，拓?fù)涔?/span>子學(xué)系統(tǒng)只有在外部或者合成磁場存在的情況下，才可以打破光子傳輸過程中的時間反演對稱性，從而獲得抗背向散射的光子單向傳輸，實(shí)現(xiàn)光隔離。由于強(qiáng)磁場的約束，這種周期性光子微結(jié)構(gòu)難以集成和小型化。因此，探索實(shí)現(xiàn)無磁非互易光子能帶結(jié)構(gòu)，尤其是對量子光有效的，將能極大促進(jìn)光子量子信息技術(shù)的發(fā)展。
基于麥克斯韋方程組的經(jīng)典電磁場理論認(rèn)為沒有輸入和激勵源的空間內(nèi)不存在電磁場。從無源麥克斯韋方程出發(fā)推導(dǎo)的洛倫茲互易定理是線性時不變電磁系統(tǒng)普遍遵從的基本物理規(guī)律。然而，根據(jù)量子光學(xué)理論，即使沒有輸入和激勵，真空中存在量子漲落即量子真空場，導(dǎo)致其中的電磁場不為零。因此，如何利用量子真空場打破洛倫茲互易定理是一個基礎(chǔ)科學(xué)問題。相比各種傳統(tǒng)的方法，手性量子光學(xué)系統(tǒng)可以利用量子機(jī)制實(shí)現(xiàn)光學(xué)非互易，提供前所未有的非傳統(tǒng)量子信息處理能力。本工作理論提出利用量子發(fā)射器(Quantum emitters, QEs)與耦合共振光學(xué)波導(dǎo)(Coupled-resonator optical waveguide, CROW)中的量子真空場之間的手性相互作用實(shí)現(xiàn)無需磁場的非互易單光子拓?fù)淠軒ЫY(jié)構(gòu)和單光子隔離。
該工作提出了一種新型無磁拓?fù)?/span>光學(xué)系統(tǒng)——手性QE-CROW量子光學(xué)系統(tǒng)——來實(shí)現(xiàn)光學(xué)非互易。如圖1 (a)所示，該系統(tǒng)由具有周期性結(jié)構(gòu)的CROW和二能級QE陣列組成。在CROW中，每個微環(huán)腔的倏逝場具有完美的圓偏振，其光學(xué)手性近乎為一，構(gòu)成自旋-動量鎖定。對于二能級QE，可以通過初始化基態(tài)或利用光學(xué)斯塔克效應(yīng)來誘導(dǎo)手性躍遷。在此配置下，當(dāng)正向入射時，二能級QE陣列與CROW耦合形成L型三聚體鏈 [見圖1 (b)]，而反向入射時，二能級QE陣列與CROW解耦，形成二聚體鏈 [見圖1 (c)]。這種獨(dú)特結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出非互易的能帶結(jié)構(gòu)特征，從而帶來了許多新穎的物理現(xiàn)象以及潛在應(yīng)用。
圖1 (a) 手性QE-CROW系統(tǒng)示意圖。箭頭表示對于1或3端口輸入（正向入射）的回音壁模式傳播方向。2或4端口輸入（反向入射）激發(fā)相反的傳播模式。具有極化躍遷的QEs周期性耦合A子晶格的順時針模式。(b) 正向入射情況下表現(xiàn)L型三聚體鏈特征。(c) 反向入射情況下表現(xiàn)二聚體鏈特征。
圖2 (a, b) 非互易能帶結(jié)構(gòu)，其中(a)對應(yīng)反向激發(fā)，(b)對應(yīng)正向激發(fā)；(c, d)非互易能譜，其中(c)對應(yīng)反向激發(fā)，(d)對應(yīng)正向激發(fā)；(e-g)邊界態(tài)元胞概率分布，其中(e)對應(yīng)反向激發(fā)，(d, e)對應(yīng)正向激發(fā)。
通過考慮拓?fù)?/span>SSH模型結(jié)構(gòu)，研究人員展示了當(dāng)CROW元胞內(nèi)耦合小于元胞間耦合時, 系統(tǒng)會表現(xiàn)出非互易的單光子平帶和邊界態(tài)，見圖2。這種非互易的拓?fù)鋺B(tài)可以用來構(gòu)建邊界態(tài)遂穿誘導(dǎo)的單光子環(huán)形器。更有趣的是，當(dāng)CROW元胞內(nèi)耦合與元胞間耦合相等時，即在標(biāo)準(zhǔn)SSH模型平庸的情況下，系統(tǒng)會出現(xiàn)非互易的單光子帶隙，見圖3 (a, b)。 研究人員展示了在這種情況下可以實(shí)現(xiàn)頻率復(fù)用的單光子環(huán)形器。同時，受非互易帶隙的保護(hù)，單光子傳輸具有很強(qiáng)的免疫背向散射的特性。因此，該系統(tǒng)有望實(shí)現(xiàn)一種新型的抗背向散射的光學(xué)器件。
圖3 (a, b)非互易單光子帶隙，其中(a)對應(yīng)反向激發(fā)，(b)對應(yīng)正向激發(fā)；(c, d) 非互易透射譜。
該研究工作擴(kuò)展了拓?fù)?/span>光子結(jié)構(gòu)的能帶特征，表現(xiàn)出顯著的無磁量子非互易性，發(fā)現(xiàn)的無磁非互易光子行為揭示了與凝聚態(tài)電子系統(tǒng)中沒有的物理特性。
該成果以"Nonreciprocal Single-photon Band Structure"為題在物理學(xué)權(quán)威期刊《Physical Review Letters》發(fā)表。南京大學(xué)博士生唐江山為論文的第一作者，夏可宇教授為通訊作者，陸延青教授對該工作提供了指導(dǎo)性意見，天津大學(xué)理學(xué)院量子交叉研究中心聶偉副教授與日本理化學(xué)研究所Franco Nori教授對本工作做出了重要貢獻(xiàn)，南京大學(xué)博士生唐磊、陳明遠(yuǎn)和蘇欣為合作作者。該工作得到了科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目、國家自然科學(xué)基金委、江蘇省"雙創(chuàng)人才"和"雙創(chuàng)團(tuán)隊(duì)"計(jì)劃及南京大學(xué)卓越研究計(jì)劃項(xiàng)目的支持，尤其是受到了林海青院士在科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目總結(jié)中關(guān)于光學(xué)系統(tǒng)與凝聚態(tài)系統(tǒng)拓?fù)涮匦员容^的問題的啟發(fā)。
論文鏈接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.128.203602
