光学微腔中的宇称-时间声子激光研究

Rapid advances in recent years in nano-fabrications and cavity optomechanics have led to such a wide range of interests, from macroscopic quantum-state control to making and using of various electric-opto-acoustic nano-devices. Almost on the same time, exceptional-point (EP) physics has also witnessed striking experimental advances, resulting in demonstrations of many counter-intuitive effects, such as loss-induced transparency, nonreciprocal lights, chiral lasing and invisible sensor. Combining these two fields, we proposed the study of EP optomechanics, and predicted interesting results, e.g., thresholdless phonon laser, inverted optomechanically-induced transprarency, chaos and EP-enhanced weak-signal detection. Our work has stimulated rapid developments of EP optomechanics, including an experiment on it very recently. Based on these works, we will proceed to study the effects of material defects or resonator rotations on phonon lasing process (hybrid EP and revival of phonon lasing, nonreciprocal phonon lasing), the emergence of high-order EP and its role in low-power phonon cooling and lasing. These works, as shown by our initial results, hold the promise to provide more insightful theoretical guides for ongoing experimental efforts.

纳米微刻技术和量子物理的结合导致光力学的诞生和快速发展，在宏观量子态产生与探测、量子声学、电声光转换与运动传感技术等方面有重要应用。同时，宇称-时间光学研究快速走向实验与应用，展现诸多违反直觉的奇异点效应，如损耗诱导透明、非对易传输、手征激光与全吸收等。我们前期工作提出和研究了宇称-时间光力学，在宇称-时间声子激光、宇称-时间混沌、宇称-时间弱力探测增强、反转光力透明及高阶边带放大等方面做出一系列成果，这些工作被国外同行引用超过百次（包括耶鲁大学奇异点光力学实验论文）。在这些工作基础上，我们将进一步研究材料缺陷对声子激光的影响（杂化奇异点与声子激光抑制和恢复）、腔旋转对声子激光的影响（非互易声子激光）以及多模光力系统高阶奇异点的新效应（低功率声子冷却和多模声子激光）。本课题有望拓展和深化宇称-时间声子激光与声子冷却研究，预言新效应，为奇异点光力学的实验和应用技术研究提供有益的理论指导。

纳米微刻技术和量子物理的结合导致光力学的诞生和快速发展，在宏观量子态产生与探测、量子声学、电声光转换与运动传感技术等方面有重要应用。同时，奇异点物理学研究快速走向实验与应用，展现诸多违反直觉的新奇效应，如耗散诱导透明、非互易传输、手征激光与隐形传感等。过去四年内，在国家自然科学基金项目支持下，我们以非厄米光学微腔系统以及旋转腔系统为平台，将奇异点物理、非互易与光力学结合起来，主要开展了三个方面的研究：非互易光力学、奇异点光力学、非线性光力学。共发表 SCI 论文 23 篇，很好地完成了本项目的目标。我们在基于旋转腔的非互易光子阻塞、非互易光力诱导透明、非互易声子激光、非互易量子纠缠、非互易孤子等方面做出一系列成果。这些工作被国内外同行引用数百次。其中2篇为ESI高被引文章，非互易光子阻塞工作获实验验证。我们在奇异点光力调控如奇异点光力诱导透明、奇异点磁力诱导透明以及奇异点量子相干等方面也作出了高原创性的工作。此外，我们还研究了非线性的光力效应，如非线性原子猫态、力学振子调控光子阻塞、非线性光力放大以及超辐射驱动声子激光等。这些工作发表在Nature、Optica、Nano Letters、Physical Review Letters、Nanophotonics、Science China Physics, Mechanics & Astronomy、Photonics Research等国际知名期刊。