3一6年级科技小制作手工揭秘光子刹车效应的奇妙世界
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”效应的实验演示，并在皮秒尺度上观察到了光子简并模式的剥离、线性频率转化等现象。他们发表了题为“Temporal loss boundary engineered photonic cavity”的研究成果，该论文在Nature Communications杂志上见报。
若将谐振腔内弛豫振荡的光子比作高速公路上的汽车，那么控制它们的刹车就显得尤为重要。这项工作通过向激发的光学谐振腔注入损耗，从而改变非稳态光子的弛豫过程，使其迅速达到稳定状态，这种精确控制对许多光学过程至关重要，就如同给汽车添加可控摩擦系统一样。
为了实现这一目标，他们使用飞秒激光脉冲向半导体腔内注入载流子，通过精确控制载流子的注入时机和强度来操控非稳态光子的动力学调控。例如，在具有两个本征模式的谐振腔中，如果选择适当时机向腔内注入浓度可控的载流子，就可以控制瞬态损耗，从而对非稳态激发后的两种模式进行动力学调节。
通过太赫兹探测技术，他们能够清晰地观察到这些调整过程中的频域特征，并且利用瞬态双极化模型从物理上理解这些非稳态现象。此外，这项研究还展示了一种新的方法，即通过超快瞬态损耗来区分两个简并模式，而这种区分方式是其他任何手段无法达到的。
此外，“光子刹车”效应还有可能应用于超快波束扫描器件，为激光雷达和太赫兹通信提供帮助；线性频率转换机制则有望绕开强场依赖，对于太赫兹波段特别关键。此外，这项研究还为量子压缩状态产生提供了一条潜在路径。
该研究由丛龙庆作为唯一通讯作者完成，其单位是南科大，并获得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。相关论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-021-27014-z