科技先锋揭秘南科大丛龙庆课题组开创性发现光子刹车效应
近日，南方科技大学电子与电气工程系副教授丛龙庆及其合作者在一项令人瞩目的研究中，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”效应的直接观测。此一成果，以“Temporal loss boundary engineered photonic cavity”为题，在著名的科技杂志《自然通讯》上发表。
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“光子刹车”就像是一种精确控制非稳态光子的过程。通过向激发的谐振腔内注入损耗，并改变非稳态光子的阻尼，从而减少其弛豫时间以实现快速“停稳”，这一现象往往发生在皮秒甚至飞秒量级。
此前，科学家们通常试图避免损耗，但这项研究显示，如果能精确控制损耗，就可以带来意想不到的价值。类似于给汽车增加可控摩擦系统以实现减速，我们也可以给非稳态光子的腔体注入损耗，从而操控它们弛豫时间，并达到对这些波粒如同驾驶汽车一样精确控制。
通过实验，他们展示了如何使用两个本征模式的谐振腔来演示这一效果。在激发后，这两个模式会以各自不同的弛豫寿命和频率辐射，而当选择适当时机向腔内注入载流子时，就可以控制瞬态损耗并观察到有趣现象，如异步调制和线性频率转化。
实验结果显示，当瞬态载流子被注入至非稳态谐振腔时，不仅能够调制模式，而且还会产生新的频率分量，这些特征都被太赫兹光泵探测技术在皮秒尺度下验证。这一发现不仅提供了一种新颖的手段来区分简并模式，还揭示了如何利用超快瞬态损害机制进行无需其他手段即可从时域剥离两种耦合模式的事实。
此外，该团队还发现，对实部也有相应的瞬态调制，使得 腰里的波粒出现频率转换。这一线性频率转换过程可能为太赫兹通信提供新的思路，因为它绕开了对强场源依赖性的限制，有望在未来应用中取得突破。
该研究由丛龙庆作为唯一通讯作者完成，他是南方科技大学电子与电气工程系的一员。这项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的大力支持。论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-021-27014-z
