科技强国之路南科大丛龙庆课题组揭秘光子刹车效应
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。
这项工作可以被视为一种控制非稳态光子弛豫时间的方法，类似于给汽车安装可控摩擦系统以实现减速。通过向激发的光学谐振腔内精确地注入损耗，可以改变腔内非稳态光子的阻尼，从而快速地“停稳”，实现对光子的控制。这种控制通常发生在皮秒甚至飞秒量级，是目前无法通过其他手段完成的。
研究者们使用具有两个本征模式的谐振腔作为示例。在激发后，这两个模式会以不同的弛豫寿命（品质因数Q）和频率向外辐射。在辐射期间，如果恰当时机向腔内注入载流子，可以调节谐振腔的瞬态损耗，从而动力学调控激发中的光子，并观察到有趣现象，如异步调制和涟漪效应。
实验结果显示，当瞬态载流子被注入时，将导致TE模式和TM模式之间出现异步调制，而不影响TM模式。这一现象由二者的Q值差异决定。此外，在瞬态损耗过程中，实部也会受到相应变化，就像突然改变琴弦长度一样，这将改变腔内光子的频率，从而引起辐射频率的线性转换。
这一发现可能用于设计新的超快波束扫描器件，以便于应用于激光雷达和太赫兹通信领域。而线性频率转换机制则有助于绕开强场依赖的问题，对于太赫兹波段尤其重要。此外，该技术还可能用于量子压缩状态产生，为未来科学家提供新的思路。
该研究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。论文通讯作者是南科大电子与电气工程系副教授丛龙庆，该校也是第一单位合作单位。