“飛秒光物理和介觀光學(xué)”創(chuàng)新研究群體在微腔光學(xué)研究領(lǐng)域取得系列進(jìn)展

時(shí)間：2014-06-15 10:43  作者：  來(lái)源：北京大學(xué)新聞網(wǎng)

　　北大物理學(xué)院“飛秒光物理和介觀光學(xué)”創(chuàng)新研究群體成員肖云峰研究員與龔旗煌院士在微腔量子電動(dòng)力學(xué)研究方面取得突破，研究成果于2014年5月30日發(fā)表在物理學(xué)領(lǐng)域的頂級(jí)刊物《物理評(píng)論快報(bào)》上【Yong-Chun Liu et al., Coherent Polariton Dynamics in Coupled Highly Dissipative Cavities, Phys. Rev. Lett. 112, 213602 (2014)】。論文第一作者為北京大學(xué)物理學(xué)院博士研究生劉永椿，合作者包括物理學(xué)院2009級(jí)本科生李昊坤（現(xiàn)在美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校攻讀博士學(xué)位），美國(guó)哥倫比亞大學(xué)Chee Wei Wong等人。

　　長(zhǎng)期以來(lái)，在單量子水平下實(shí)現(xiàn)光與物質(zhì)強(qiáng)耦合相互作用是量子調(diào)控的重要目標(biāo)之一。典型的實(shí)驗(yàn)體系是腔量子電動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)，強(qiáng)耦合要求偶極子與腔模光場(chǎng)的耦合強(qiáng)度大于系統(tǒng)各種耗散。為了實(shí)現(xiàn)強(qiáng)耦合，人們主要關(guān)注提高光學(xué)微腔的品質(zhì)因子和減小模式體積。但由于衍射極限及制備工藝的限制，很難在單個(gè)微腔中同時(shí)實(shí)現(xiàn)超高品質(zhì)因子和極小模式體積。北大“飛秒光物理和介觀光學(xué)”創(chuàng)新研究群體研究人員及哥倫比亞大學(xué)的合作者提出，在耦合腔體系中通過(guò)暗態(tài)相互作用實(shí)現(xiàn)強(qiáng)耦合，可以克服在單個(gè)微腔中對(duì)超高品質(zhì)因子和極小模式體積的要求。研究表明：當(dāng)單個(gè)偶極子置于一個(gè)高度耗散微腔（具有較小模式體積，但無(wú)需超高品質(zhì)因子），在另一個(gè)輔助微腔（具有超高品質(zhì)因子，但無(wú)需極小模式體積）協(xié)同作用下，可以實(shí)現(xiàn)體系的強(qiáng)耦合相互作用。這為量子操控提供了克服耗散和退相干的重要手段，為單量子水平光與物質(zhì)相干相互作用的研究提供了新的平臺(tái)。

通過(guò)耦合一個(gè)輔助腔在高耗散腔中實(shí)現(xiàn)偶極子與光場(chǎng)強(qiáng)耦合示意圖

　　這是“飛秒光物理和介觀光學(xué)”創(chuàng)新研究群體成員在微腔光子學(xué)和量子光學(xué)研究方向上取得的最新進(jìn)展。近期的研究成果還包括：利用腔光力系統(tǒng)中兩個(gè)極化子模式的共振將光力非線性系數(shù)提高兩個(gè)數(shù)量級(jí)，并利用該增強(qiáng)的非線性作用制備出光子-聲子極化子對(duì)，為腔光力系統(tǒng)操控光子和聲子提供了新的重要手段【Yong-Chun Liu et al., Phys. Rev. Lett. 111, 083601 (2013)】；通過(guò)動(dòng)態(tài)調(diào)控微腔光學(xué)模式的耗散，從本質(zhì)上克服了量子反作用的加熱效應(yīng)，使得機(jī)械振子的冷卻速率更快，且冷卻極限降低2-3個(gè)數(shù)量級(jí)，為操縱并利用光力相互作用提供了新的思路【Yong-Chun Liu et al.,Phys. Rev. Lett. 110, 153606 (2013)】；結(jié)合光學(xué)微腔模式的超高品質(zhì)因子和等離激元的光場(chǎng)高度局域優(yōu)勢(shì)，獲得新型復(fù)合光場(chǎng)模式，使得單原子和單光子的相互作用深入到了更強(qiáng)的耦合極限【Yun-Feng Xiao et al., Physical Review A 85, 031805(R) (2012) (快速通訊，Rapid Communications)，該工作作為復(fù)合模式的代表性研究在最近發(fā)表的Nature Physics綜述文章中被圖文重點(diǎn)介紹】。

　　上述系列研究工作得到了科技部973計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金委、人工微結(jié)構(gòu)和介觀物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室及量子物質(zhì)科學(xué)協(xié)同創(chuàng)新中心的支持。