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Science：單個光學(xué)腔中構(gòu)建兩個獨立的人工維度
【導(dǎo)讀】
近年來，光子學(xué)中人工維度（synthetic dimension in photonics）的概念受到了廣泛的關(guān)注[1]。在光學(xué)諧振腔中，通過動態(tài)調(diào)制，在以往的研究中，研究人員在理論上已經(jīng)成功在單個光學(xué)腔（零維）中構(gòu)建出二維的人工參數(shù)空間[3]。近日，美國斯坦福大學(xué)的Shanhui Fan教授課題組與合作者*實驗驗證了單個光學(xué)腔中構(gòu)建兩個獨立的人工維度，并在該參數(shù)空間中探索了許多重要的物理現(xiàn)象。該研究成果以”A single photonic cavity with two independent physical synthetic dimensions”為題于2019年11月28日在Science上以預(yù)印版（First release）的形式在線發(fā)表。斯坦福大學(xué)的Shanhui Fan教授和上海交通大學(xué)的袁璐琦研究員為文章的共同通訊作者。武漢大學(xué)的肖孟教授也參與了這項工作。
【創(chuàng)新研究】
研究人員構(gòu)建了一個由光纖構(gòu)成的環(huán)型諧振腔，該諧振腔具有一系列的諧振模式。在不考慮光纖中的群速度色散時，這些諧振模式在頻率維度上等間距分布。如果在光纖環(huán)中置入電光調(diào)制器，并加以精確設(shè)計的周期性調(diào)制電壓，這些諧振模式會產(chǎn)生有效的耦合，從而構(gòu)成了光的頻率自由度上的人工維度。在此基礎(chǔ)之上，研究人員利用兩組不同長度的波導(dǎo)，使得環(huán)形諧振腔中的順時針光場模式與逆時針光場模式產(chǎn)生耦合，從而構(gòu)建出由順時針/逆時針光場組成的額外自由度。這兩個相互獨立的人工維度形成了一個二維的人工參數(shù)空間（圖一）。通過調(diào)節(jié)波導(dǎo)的長度，研究人員能夠在人工維度上實現(xiàn)可控的模式躍遷，從而實現(xiàn)作用于光的等效規(guī)范場。
在實驗中，研究人員在所構(gòu)建的二維人工空間中，觀察到了光場的等效磁規(guī)范勢（effective magnetic gauge potential）以及拓?fù)鋯蜗蜻吔缌鳎╰opological chiral one-way edge current），這些現(xiàn)象在理論上與霍爾階梯晶格（Hall ladder）一一對應(yīng)。其中，研究人員通過外差探測直接觀察到了人工霍爾晶格所對應(yīng)的手征流（chiral currents）。通過改變等效磁規(guī)范勢的作用方向，不同方向的手征流在實驗中被成功探測（圖二）。
該項工作在實驗上證實了通過構(gòu)建多個人工維度的方式，能夠在一個簡單的光學(xué)系統(tǒng)中設(shè)計并實現(xiàn)高維度、復(fù)雜的物理效應(yīng)。這大大豐富了人工維度的應(yīng)用前景。此外，復(fù)雜物理效應(yīng)的實現(xiàn)也為光學(xué)系統(tǒng)中光學(xué)調(diào)控提供了更加豐富的手段。
圖一：動態(tài)調(diào)制的環(huán)型諧振腔支持兩個獨立人工維度（圖片來源：Science A single photonic cavity with two independent physical synthetic dimensions）
圖二：直接觀察到與人工霍爾階梯晶格相關(guān)的光場單向邊界流（圖片來源：Science A single photonic cavity with two independent physical synthetic dimensions）
原文引自“兩江科技評論”微信公眾號。