南科大丛龙庆课题组揭秘光子玩具发现能刹车的奇异效应
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。
如果将谐振腔内的非稳态光子比作高速行驶的汽车，那么就需要类似于汽车刹车机制来控制它们。通过向激发的光学谐振腔中注入损耗，可以改变非稳态光子的弛豫时间，从而实现对其“刹车”。这一控制过程通常发生在皮秒甚至飞秒量级，这对于精确操控来说是一个极其微妙且迅速的过程。
利用飞秒激光脉冲向半导体腔内注入载流子，可以通过精确控制载流子的注入时机和强度来实现对光子的动力学调控，就像驾驶汽车一样。这种方法可以应用于具有两个本征模式的谐振腔。在这个系统中，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，并观察到有趣现象，如异步调制和被调制附近产生“涟漪”。
实验结果显示，在频域图谱中可以清晰地观察到两个模式之间的异步调制以及被调制附近产生“涟漪”的现象。这两种特征都通过太赫兹光泵探测技术验证了瞬态损耗引起非稳态模式间异步调制的情况。此外，利用瞬态双极化模型从物理上理解了该非稳态过程，并且数值模拟重现了所有实验结果。
这种超快瞬态损耗注入方式不仅能够将两个简并模式从时域剥离，而且还能够定量描述系统由过阻尼到欠阻尼切换过程所需的一系列参数变化。此外，该方法还涉及实部相位调整，即突然改变琴弦长度，从而改变辐射出的波长，这一线性频率转换可能为太赫兹通信提供新的思路。
此次研究成果不仅有助于开发新型超快波束扫描器件，还可能用于线性太赫兹频率转换，以及为量子压缩状态产生提供新的思路。丛龙庆教授作为论文通讯作者，其团队得到了国家自然科学基金和国家青年人才计划项目资助支持。