中国科技新星南科大丛龙庆课题组揭秘光子刹车效应引领全球科学前沿
近日，南方科技大学电子与电气工程系副教授丛龙庆及其团队在超材料构造的谐振腔中成功实现了“光子刹车”效应，并在皮秒尺度上观察到了刹车过程中的光子简并模式剥离、线性频率转化等现象。这项研究成果发表在Nature Communications上，以“Temporal loss boundary engineered photonic cavity”为题。
如果将谐振腔内弛豫振荡的光子比作高速公路上的汽车，那么就需要类似于汽车刹车的机制来控制它们。通过向激发的光学谐振腔内注入损耗，可以改变非稳态光子的弛豫时间，从而快速地使其“停稳”，这就是所谓的“光子刹车”。这一过程往往发生在皮秒甚至飞秒量级，这是对传统物理操作的一个极大挑战。
不同于避免损耗，这种精确控制损耗却能带来意想不到的价值。我们可以给非稳态光子的腔注入损耗，就像给汽车增加可控摩擦一样，来操控它们弛豫时间，实现对光子的动力学调控。这种时刻精确操控不仅仅是在皮秒甚至飞秒量级，而且还要求操作者的反应速度达到或超过这个水平。
以具有两个本征模式的谐振腔为例，在激发后，这两个模式被激发并以各自不同的弛豫寿命和频率向外辐射。在这些非稳态情况下，如果我们选择适当的时候向腔内注入载流子，就可以控制瞬态损耗，即可实现对激发到的非稳态光子的动力学调控，并观察到有趣现象，如异步调制和涟漪效应。
通过太赫兹探测技术，我们能够清晰地看到这些现象，并且利用瞬态双极化模型从物理上理解了该非稳态过程，同时也从数值上再现了所有实验结果。此外，我们还发现，在载流子的注入过程中，对实部也有相应的瞬态调制，而这样的实部瞬态调制类似于突然改变琴弦长度，不但会改变整体系统，还会伴随着辐射出的波长变化，因此引起了一系列新的线性频率转换问题，有望为太赫兹通信提供新的思路。
此次研究工作得到了国家自然科学基金面上项目和国家青年人才计划项目资助，丛龙庆博士作为通讯作者，其团队在这一领域取得了突破性的进展，为未来可能应用于激光雷达、超快波束扫描器件以及线性太赫兹频率转换等领域奠定了基础。