华东理工大学龚尚庆联合团队：借助原子热运动构建手性量子系统，实现光学非互易

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       近日，华东理工大学理学院龚尚庆教授团队，联合南京大学夏可宇教授和新加坡国立大学龚江滨教授，在手性量子光学方面取得重要研究进展。该联合团队首次提出了借助普遍存在的热运动构建“极化率-动量锁定”为特征的手性量子光学系统新方案，并实现了光学非互易。

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手性量子光学是最近几年量子光学发展带来的新方向，为光与物质相互作用的量子调控带来了新途径。在手性量子光学系统中，光与物质的耦合强烈依赖于光的传输方向和偶极矩的极化状态，即向左传播和向右传播的光与物质发生不同的相互作用。利用手性量子界面，不仅可以实现确定性的量子态产生和转移、制造量子非线性手性器件、构建量子网络应用于量子信息处理、模拟新奇的量子多体物理等，也可以实现光学非互易效应，为在光子芯片上集成量子功能器件提供了新的途径。

之前报道的手性量子光学界面的实现均依赖于微纳结构在横向方向上对光的束缚特性，导致以“spin-momentum locking”为特征的手性相互作用。团队研究人员借助普遍存在的微观随机热运动，在理论上提出了一种实现手性量子光学系统的新原理：在原子系综中建立“susceptibility-momentum locking”。基于该理论方案，研究人员将室温下的铷原子系综强耦合到环形腔，实验观测到了非常强的光学非互易。

图（a）基于原子微观热运动的手性量子光学系统示意图；（b）同向和反向信号光透过率随集体耦合强度和控制场强度的变化

热运动无处不在，但往往被看作噪声。尤其在量子效应的观测和器件的研制中，热运动常常扮演破坏者的角色，因此人们通常会通过冷却来降低热运动带来的影响。该团队研究人员反其道而行之，直接借助原子的微观随机热运动来实现手性量子光学系统。当信号光与控制光同向传输时，热运动引起的两束光的多普勒频率移动同号，热运动对原子响应的影响被抵消，此时原子会掉入特殊的量子态“暗态”。当两者反向传输时，热运动引起的两束光的多普勒频率移动反号，热运动引起的效应反而增强，此时原子会偏离“暗态”。因此，对信号光而言，原子对它的响应强烈依赖于其传播方向，从而形成手性相互作用。该物理过程正是借鉴了1988年 C. Cohen-Tannoudji 教授所提出的突破单光子反冲极限的激光冷却原理。在该原理中，利用两束控制光来捕获和冷却原子：当原子速度足够小的时候，会掉入“暗态”，当原子速度较大时，会偏离“暗态”，从而形成“速度选择的相干布居捕获态”，实现原子冷却。本研究也是利用掉入和偏离“暗态”的过程，但实现的是传播方向选择的手性相互作用，并用来获得光学非互易。

该原理具有普适性，可以推广到其它量子体系；且不需要对系统进行冷却，可以在室温下实现，为实验提供了极大便利。另外，将原子气体充入一维波导进行集成化、并进而推广至单光子水平将是未来值得尝试的实验方向。

相关成果以“Thermal-motion-induced non-reciprocal quantum optical system”为题发表在 Nature Photonics [12, 744-748 (2018)]上。Nature Photonics还特别在同期的”News & Views” 版块发表了美国韦恩州立大学Dimitrios Sounas教授对该工作的长文介绍[Nature Photonics, 12, 720 (2018)]。

该研究得到了科技部重点研发计划、国家自然科学基金委、上海市科委的基金资助。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41566-018-0269-2

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