Nature物理: 奇异点的电磁诱导透明

该工作所展现的物理机制有望推进量子计算和量子通讯的发展。

透明和不透明是最为常见的光与物质相互作用的现象。不透明现象源于物质媒介对光的吸收、散射等等。小到拥有几个能级的原子，大到运转于浩瀚宇宙的星体，都对特定性质（如频率、偏振）的光有较强的吸收效应。

电磁诱导透明，即EIT（electromagnetically induced transparency），能够利用外加相干光场来诱导原子系统的相消干涉来抵消媒介对某种光的吸收，使得本来不透明的材料从不透明变为透明。根据量子力学原理，原子中的电子能量高低的状态被量子化为许多能级，一束频率刚好与两个能级（|1和|2）间距匹配的光能够激发电子跃迁（如图1a），而光则被材料所吸收（如图1b）。因而对于该频率的光，原子系统是不透明的。为了使这个频率的光变得透明，我们需要利用一个额外的低能级|3（如图1c），用一束很强的相干光引起电子在它与高能级之间发生来回跃迁，持续的相干光输入能够保持能级间的能量交换，使两个能级产生耦合，此时这个较高能级就无法参与和原来那个低能级的耦合了，原本可以被吸收的光此时将不被吸收，材料对该频率光变得透明(如图1d)。EIT的一个直接效果便是产生慢光，即减慢光的群速度。这是源于EIT对材料色散关系的影响，由于只对特定频率的光透明，色散曲线将在其附近变得陡峭，从而带来光的群速度的减慢。由于一般情况下光的传播速度极快，比如真空中光速是30万km/s，人们在试图利用光进行计算或者通讯的过程中，很难长时间存储光信息。但基于EIT的慢光效应能够大大降低光脉冲的速度，从而能够赢得相当长的时间来完成大量的信息处理工作。这对于基于光子的量子计算和量子通信有着重要意义。

图1. a, 二能级原子与探测光的相互作用示意图。b, 探测光的透射谱在中心频率ωp附近呈现吸收谷。c, 电磁诱导透明（EIT）基本原理示意图。d, EIT发生时探测光的透射谱在中心频率ωp附近呈现透明峰。

除了原子系统，我们也可以用经典系统比如波导、光学微腔、电学谐振腔等来构建三个能级实现EIT。经典系统中的EIT可以更为简单地理解为波的干涉，比如在两个耦合的光学谐振腔中，光学模式的耦合也会导致光的相消干涉，从而使得谐振腔中的光场大大减弱，使更多的光子发生透射。经典光学平台实现的EIT有几大优势，比如室温下可实现、集成度高、可调自由度多等。但一般EIT的调控需要连续改变参数，如温度、耦合强度等等，以便对光信息实现存储、读取等操作。在本篇文章中，作者提出了一种调控EIT的新机制，即利用光学微腔的状态实现EIT的开关控制。我们知道在电子计算机中，信息的传递、处理、存储是基于数字信号0或者1，我们称之为比特。利用数字逻辑电路，可以让一个比特控制另外的比特，实现逻辑运算或操作。这类逻辑系统对环境微扰不敏感，具有较好的鲁棒性。在量子计算中，比特基于量子态，可以为0或1的叠加态。而量子逻辑操作可通过一个量子态控制另外的量子态来实现。借助这类思想，亦可以利用态来操控EIT。本文作者在一个双腔通过波导耦合的系统中，利用非厄米系统在奇异点的手性本征态来操控EIT的开启和关闭。

在量子力学中，封闭系统可用厄米哈密顿量来描述。对于绝大多数与环境相互作用的系统来说，哈密顿量不满足厄米性质，因此我们称之为非厄米系统。其参数空间有一类点，使得系统本征值和本征态均实现简并，被称为奇异点，本征态不仅是简并的，而且对应一种特定的手性，正1或者负1，因而可根据手性将奇异点分为两种。本文实现奇异点的平台是回音壁光学谐振腔。基于天坛等建筑物中的回音壁现象，环形的光学微腔使得光在内壁发生全反射束缚在腔内形成回音壁模式。利用两个纳米颗粒在回音壁模式中产生的反射和损耗，可以将微腔调制到奇异点。此时其本征模式是一种手性模式，手性为1对应顺时针的本征模式，手性为-1对应逆时针的本征模式。奇异点的手性模式伴随着非对称反射的产生，例如，当系统的手性为1时，逆时针的光可以被反射为顺时针，而顺时针不能被反射为逆时针。

图2. 实验系统示意图。两个微型回音壁腔与同一波导耦合。纳米粒子引起微腔中光的反射。利用光纤锥对光的反射可调节微腔中的本征光学模式。

在实验中（如图2），作者采用一个较高品质因子的微型环芯腔（左）和一个较低品质因子的微盘（右），将其耦合到同一根光纤锥波导上。如果微腔是理想的，每个微腔支持顺时针和逆时针两种频率完全形同的光学模式。实际微腔表面存在尘埃和粗糙，会引起光的反射和损耗，顺时针和逆时针两种模式之间存在耦合，简并性被打破，从而引起了模式劈裂。我们可以将尘埃、粗糙引起的微扰建模为单个纳米粒子。在高品质因子的回音壁微腔中，这类劈裂非常明显，常被用来作为探测纳米粒子的信号。而本工作则巧妙利用了微扰引起的反射，使得腔内的顺时针和逆时针的光学模式能够耦合，通过连接两个微腔的波导使得光能够在两个微腔之间来回传播，由此形成了双腔的环路干涉。

通过调整两个腔的距离可以控制光在两腔间传播的相位，从而实现相消干涉，构成了EIT的基本模型。此时每个腔内由于模式劈裂都有两个能级，透明峰也出现劈裂。作者通过外加的一个光纤锥将较高品质的微型环芯腔调制到奇异点，此时本征态只有一个，其手性发挥作用。当手性为-1时（如图3a），较高品质微腔中的顺时针模式可以耦合到逆时针模式，但逆时针模式不能耦合到顺时针模式，环路中断，干涉消失，EIT关闭，透射谱上展现为单吸收谷（如图3b）。而当手性为1时（如图3c），较高品质微腔中的光不能从顺时针方向反射到逆时针方向，但可以从逆时针方向反射到顺时针方向，因此系统中存在环路干涉，而奇异点的简并性使得透射谱呈现单个透明峰（如图3d），此时EIT开启；由此，通过一个光纤锥将较高品质微腔调制到手性不同的奇异点，实现不同手性的本征态，可以控制EIT的开启和关闭。

该工作所展现的物理机制为EIT的调控提供了新的渠道，有望推进基于光子的量子计算和量子通讯的发展。基于光学系统本征态的调控机制有望应用于更多其他物理系统。

图3. a, EP- 情况下环路示意图。EP- 对应手性为-1的本正态，逆时针光场不能耦合进入顺时针光场，环路干涉消失。b, EP- 情况下EIT关闭，透射谱呈现单吸收谷。c，EP+情况下环路示意图。EP+对应手性为1的本征态，逆时针光场可以耦合进入顺时针光场，环路干涉形成。d, EP+情况下EIT开启，透射谱呈现单透明峰。

论文以“Electromagnetically induced transparency at a chiral exceptional point”为题发表在Nature Physics 上，该项工作由美国圣路易斯华盛顿大学、耶鲁大学，芝加哥大学，南加州大学等单位共同完成。该文章的共同第一作者是圣路易斯华盛顿大学电子和系统工程系博士研究生王昌青，博士后姜雪峰。通讯作者为杨兰教授。

作者简介：

杨兰教授是美国圣路易斯华盛顿大学电子和系统工程系Edwin H. & Florence G. Skinner 教授，美国光学学会会士，曾获得美国自然科学基金会CAREER奖、美国总统青年科学家奖等奖项。其带领的微纳光子学实验室近年来在微纳粒子探测、非厄米光学、光机械等领域取得了一系列重要进展，有关成果发表在《自然》，《科学》，《自然-光子学》，《自然-物理学》，《自然-纳米科技》，《自然通讯》，《美国国家科学院院刊》等期刊。

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