光感应磁化的无噪声光子非互易性

      洛伦兹互易性及非互易性与时间反演对称性破缺有关，在光学中具有重要意义。在实际的光学应用中，包括隔离器、环行器和回转器在内的一些非互易光学器件是必不可少的。实现光学非互易性的主要机制是大块磁光材料中的磁圆二色性和圆双折射（即法拉第效应）。强磁场通过诱导电子自旋态的塞曼分裂和改变电子波函数来改变电介质的偶极动量或跃迁频率，从而破坏光的互易性。然而，基于法拉第效应的非互易器件在许多情况下的应用都受到限制。主要原因有二：其一，磁光材料加工的困难；其二，强偏置磁场与许多其他光学元件（如自旋系综和超导光子接口）不兼容。于是，人们提出了一些新思路，如光驱诱导定向变频存储、或放大耦合谐振器回路中的合成磁场等，以及射频/声驱动引起的折射率的时空调制。这些方法的共同原理是相干模式转换中的轨道动量守恒，它诱导特定方向输入的光子吸收或相移。但是，这种装置在相干模转换中的动量守恒需要严格的相位匹配条件，而强驱动会由于非线性参量过程而产生不可避免的背景噪声光子。

       近日，中国科学技术大学量子信息与量子物理研究中心、中科院量子信息重点实验室的郭光灿教授和董春华教授团队提出了一个通过光感应磁化（OIM）的原子介质实现光子非互易性的方案，在自由空间和行波腔中用热蒸气原子分别实现了和的隔离比。色散非互易效应与法拉第效应相似，非互易光模的频率分裂超过100 兆赫。将原子系综视为可磁化的介电介质，可以利用非相干布居转移实现非互易性，从而使无磁OIM机制与众不同。它的主要优点包括：光驱动频率可以远离信号，避免与相位匹配和驱动滤波相关的干扰，对驱动波动的鲁棒性，以及在信号频率处消除驱动引起的噪声。该方法适用于其它原子和类原子发射体，为今后集成光子非互易器件的研究奠定了基础。相关研究发表在《Nature Communications》上。（钟雨豪）

      文章链接：Hu, XX., Wang, ZB., Zhang, P. et al. Noiseless photonic non-reciprocity via optically-induced magnetization. Nat Commun 12, 2389 (2021). https://doi.org/10.1038/s41467-021-22597-z