调谐光学谐振器使研究人员可以控制透明性

在量子领域中，在某些情况下通过正确的干涉模式，光可以穿过不透明的介质。 光线的这一特性不只是数学上的技巧，光学量子存储器、光学存储和其他一次仅依赖几个光子相互作用的系统就取决于该过程，该过程称为电磁诱导透明，也称为EIT。
       由于其在现有和新兴量子和光学技术中的有用性，研究人员对在没有外界影响的情况下操纵EIT的能力感兴趣，例如会干扰精妙的系统的其他光子。现在，圣路易斯华盛顿大学麦克凯尔维工程学院的研究人员设计了一个完全包含的光学谐振器系统，该系统可用于打开和关闭透明性，从而实现一种控制措施，这种控制措施的应用范围很广。
       该研究小组在 1月13日出版的《Nature Physics》上发表了这项研究成果。光学谐振器系统类似于电子谐振电路，但使用光子而不是电子。谐振器具有不同的形状，但是它们都包含反射材料，这些材料会在光在其表面之间或周围来回反弹时捕获一段时间的光子。从激光到高精度测量设备，都可以找到这些组件。
        为了他们的研究，研究人员们使用了一种称为回音壁模式谐振器（WGMR）的谐振器。它的运行方式与圣保罗大教堂的耳语画廊相似，房间一侧的人都可以听到另一侧的人耳语。然而，大教堂对声音的处理和对光线的处理是一样的——当光线沿着弯曲的周长反射和反射时，WGMRs就会捕获光线。 在理想的系统中，光纤线与谐振器(由二氧化硅制成的环形)在切线处相交。当这条线上的光子遇到谐振器时，它会俯冲下来，沿环形反射和传播，以最初的方向进入光纤。但是，现实很少如此清晰。 “高质量谐振器的制造并不完美，”Yang说 ，“总会有一些缺陷或灰尘使光散射。”实际发生的是一些散射光改变方向，离开谐振器并沿其到来的方向返回。散射效应会散射光，并且散射光不会离开系统。 想象一下系统周围的一个盒子：如果光从左侧进入该盒子，然后从右侧射出，则该盒子将表现为透明。但是，如果进入的光线被散射而且没有出来，那么盒子看起来将变得不透明。 由于谐振器的制造缺陷是不一致且不可预测的，因此其透明性也是如此。进入此类系统的光会散射并最终失去强度。它被吸收到谐振器中，使系统变得不透明。
       在研究人员们设计的系统中，有两个WGMR通过光纤线间接耦合。第一谐振器质量较高，仅有一个缺陷。他们在高质量谐振器中添加了一种类似于纳米粒子的细小尖端材料。通过移动临时粒子，可以对其进行“调整”，从而控制内部光线的散射方式。 重要的是，研究人员还能够将谐振器调谐到所谓的“异常点”，即有且仅有一种状态可以存在的点。在这种情况下，该状态是指谐振器中的光的方向：顺时针或逆时针。
       对于实验，研究人员从左侧将光指向一对间接耦合的谐振器。光波进入第一个谐振器，该谐振器被“调谐”以确保光顺时针传播。光绕着周边反弹，然后出射，沿着光纤继续到达第二个质量较低的谐振器。在第二个谐振器，光被谐振器的缺陷所散射，并且其中一些光开始沿周长逆时针传播。然后，光波返回到光纤，但朝着第一个谐振器回去。
       至关重要的是，研究人员不仅在第一个谐振器中使用了纳米粒子来使光波顺时针移动，而且还对其进行了调谐，使得当光波在谐振器之间来回传播时，会形成特殊的干涉模式。这种模式的结果是，谐振器中的光被抵消了，可以说，允许沿着光纤传播的光透过，从而使系统透明。 这就好像有人在砖墙上照亮一盏灯，没有光会通过。但是随后另一个人用另一个手电筒在同一位置照亮了它，突然之间，墙上的那个点变得透明了。
       EIT更重要且有趣的功能之一是它具有创建“慢光”的能力。光速始终是恒定的，但该速度的实际值可能会根据其移动的介质的性质而变化。在真空中，光始终以每秒300,000,000米的速度传播。 研究人员表示有了EIT，人们可以将光速降低到米每秒的量级。 “这可能对光信息的存储产生重大影响。如果光变慢，我们就有足够的时间将编码后的信息用于光量子计算或光通信。”如果工程师可以更好地控制EIT，则他们可以更可靠地依靠慢光来实现这些应用。 操纵EIT也可以用于长距离通信的开发中。调谐谐振器可以沿着同一根光纤电缆间接耦合到相距几公里的另一个谐振器。这可以彻底地改变传输光线。这对于量子加密尤其重要。

图：由间接耦合的WGM微谐振器组成的系统原理图