科技发展的好处100条南科大丛龙庆课题组揭秘光子刹车效应开启新一代光电技术的未来之门
近日，南方科技大学电子与电气工程系副教授丛龙庆及其合作者成功利用超材料构造的谐振腔和太赫兹光泵探测技术，实现了“光子刹车”效应的演示，并在皮秒尺度上观察到光子的简并模式剥离、线性频率转化等现象。他们的研究成果发表在Nature Communications上，以“Temporal loss boundary engineered photonic cavity”为题。
这一研究可以被视作是对汽车刹车原理的一种类比。在高速公路上的汽车需要有有效的刹车系统来保证安全停稳，而在光学领域中，“光子刹车”则涉及到控制非稳态光子在谐振腔内的弛豫时间，使其迅速达到稳定状态。这一过程通常发生于皮秒甚至飞秒量级，是一个极其精确且快速的过程。
通过向激发的谐振腔注入损耗，可以改变非稳态光子的弛豫阻尼，从而减少其弛豫时间，实现对光子的动力学调控。这种控制方式类似于给汽车增加可控摩擦系统以实现减速，但操作的是微小量级的事物，即时刻精确操控着几十亿分之一秒内发生的事情。
实验中，研究人员使用具有两个本征模式的谐振腔，并通过适当时机向腔内注入载流子来控制瞬态损耗。这样的操作允许他们观察到两种模式之间异步调制以及由此引起的一系列有趣现象，如图1d-1f所示，其中包含了两个不同调制现象：一种是只有TE模式得到调制，而TM模式不受影响；另一种是在被调制频谱附近产生“涟漪”。
这些特征可以通过太赫兹光泵探测技术在皮秒时间尺度内进行验证，并且利用瞬态双极化模型从物理角度理解该非稳态过程，同时也能够数值重现所有实验结果（如图2b-d）。这种超快瞬态损耗注入方法能够区分并从时域剥离简并模式，这是一种无法通过其他手段实现的手段。此外，该方法还可能提供新的思路用于线性太赫兹频率转换和量子压缩态产生。
丛龙庆作为论文唯一通讯作者，其团队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。该研究工作对于发展超快波束扫描器件、线性太赫兹通信以及量子压缩态产生具有重要意义。