2021年中国十大科技新闻事件南科大丛龙庆课题组揭秘光子世界的刹车之谜
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谐振腔的研究中成功实现了“光子刹车”效应，并且在皮秒尺度上观察到了光子的简并模式剥离和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。
如果将谐振腔内的光子比作高速公路上的汽车，那么能够控制这些汽车的速度和方向，就像精确操控光子的刹车一样至关重要。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过程，从而减少其弛豫时间，实现对光子的快速调控。这一调控过程往往发生在皮秒甚至飞秒量级，是一个极其迅速和精确的过程。
这一技术对于精确控制损耗具有巨大的潜力，因为多数光学应用都需要避免损耗。但是，如果能恰当地引入损耗，这些损耗就可以被用来操控非稳态光子的行为，就像给汽车增加可控摩擦系统一样。利用飞秒激光脉冲向半导体腔内注入载流子，我们可以通过精确控制载流子的注入时机和强度来实现对非稳态 光子的动力学调控。
使用具有两个本征模式的谐振腔作为例子，在激发后这两个模式会以不同的寿命（品质因数Q）和频率辐射。在适当时机向腔内注入载流子，可以改变瞬态损耗，从而动力学调控非稳态轻子，并观察到一些有趣现象，如异步调制和“涟漪”效应。在频域分析中，我们可以清晰看到两个模式之间的交互，以及瞬态损害如何影响它们。
此外，实验结果还显示，当瞬态载流子被注入到谐振腔时，它们不仅会影响实部，而且会产生实部瞬态调制，这类似于突然改变琴弦长度，从而改变辐射出的波长。这个线性的频率转换可能为太赫兹通信提供新的方法，而这种超快波束扫描器件则有助于激浪雷达应用。
该研究由南科大电子与电气工程系副教授丛龙庆主持，他也是唯一通讯作者，该论文首次单位为南方科技大学，得到了国家自然科学基金面上项目及国家青年人才计划项目支持。此文链接可访问：https://www.nature.com/articles/s41467-021-27014-z