“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)域取得系列進展

時間：2014-06-15 10:43  作者：  來源：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)域的頂級刊物《物理評論快報》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級本科生李昊坤（現(xiàn)在美國加州大學(xué)伯克利分校攻讀博士學(xué)位），美國哥倫比亞大學(xué)Chee Wei Wong等人。

　　長期以來，在單量子水平下實現(xiàn)光與物質(zhì)強耦合相互作用是量子調(diào)控的重要目標(biāo)之一。典型的實驗體系是腔量子電動力學(xué)系統(tǒng)，強耦合要求偶極子與腔模光場的耦合強度大于系統(tǒng)各種耗散。為了實現(xiàn)強耦合，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，很難在單個微腔中同時實現(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暗態(tài)相互作用實現(xiàn)強耦合，可以克服在單個微腔中對超高品質(zhì)因子和極小模式體積的要求。研究表明：當(dāng)單個偶極子置于一個高度耗散微腔（具有較小模式體積，但無需超高品質(zhì)因子），在另一個輔助微腔（具有超高品質(zhì)因子，但無需極小模式體積）協(xié)同作用下，可以實現(xiàn)體系的強耦合相互作用。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。

通過耦合一個輔助腔在高耗散腔中實現(xiàn)偶極子與光場強耦合示意圖

　　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展。近期的研究成果還包括：利用腔光力系統(tǒng)中兩個極化子模式的共振將光力非線性系數(shù)提高兩個數(shù)量級，并利用該增強的非線性作用制備出光子-聲子極化子對，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)】；通過動態(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)，使得機械振子的冷卻速率更快，且冷卻極限降低2-3個數(shù)量級，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高度局域優(yōu)勢，獲得新型復(fù)合光場模式，使得單原子和單光子的相互作用深入到了更強的耦合極限【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介紹】。

　　上述系列研究工作得到了科技部973計劃、國家自然科學(xué)基金委、人工微結(jié)構(gòu)和介觀物理國家重點實驗室及量子物質(zhì)科學(xué)協(xié)同創(chuàng)新中心的支持。