相干光学介质的非厄密双重空间调制与不互惠光子传输性质研究

Exploring schemes for the flexible generation and dynamic manipulation of laser induced atomic coherent is an important approach for designing special photon functional devices and developing effective information processing technologies. So the coherent coupling systems of photons and atoms turn out to be a highly concerned object in quantum optics owing to their important role in building all-optical quantum information networks. In this project, based on our previous works and new frontier advances, with non-Hermitian doubly spatial modulations in period or not, we will study the nonreciprocal photon transport properties in a few coherent optical media and then consider the realistic applications of relevant results. The specific contents of our research plan are: 1) Starting from discrete systems like coupled waveguide arrays, pay special attention to the longitudinal photon transport processes in continuous media like cold atomic gases, try to realize highly nonreciprocal optical transmission such as unilateral photon diffraction and directional photon rectification, and further propose efficient schemes for manipulating photon bifurcation, diffusion, and oscillation behaviors; 2) For cold atoms in free space and optical lattices, focus on both steady properties and dynamical behaviors of the transverse photon transport in continuous media, design novel photon devices like transistors based on complete nonreciprocal reflection and asymmetric perfect absorption, and further seek effective approaches for realizing unilateral photon coupling and storage by incorporating adiabatic temporal modulations.

探索激光诱导原子相干的灵活产生与动态调控方案是设计特殊光子功能器件和发展高效信息处理技术的重要手段，于是光子与原子的相干耦合体系由于对构建全光量子信息网络有重要价值而成为量子光学领域备受瞩目的研究对象。我们拟结合自身工作基础与最新前沿进展，借助周期性和非周期的非厄密双重空间调制手段，研究几个相干光学介质中的不互惠光子传输性质并考虑部分结果的实际应用。具体研究内容：1）从耦合波导阵列等分立光学体系出发，重点研究超冷原子气体等连续光学介质中的纵向光子传输过程，设法实现单侧光子衍射和定向光子整流等高度不互惠的光学传输性质，同时给出关于光子分叉、扩散与振荡行为的有效操控方案；2）对自由空间和光学晶格中的超冷原子，研究连续光学介质中横向光子传输的稳态性质与动态行为，设计基于完全不互惠反射与不对称完美吸收的晶体管等光子器件，结合绝热时间调制手段寻求实现单向光子耦合与信息存储的有效途径。

以光学PT对称研究为范例的非厄米光学研究在过去10年受到了越来越多重视并取得了显著进步，已导致单向光子传输等新现象的发现和空间KK关系等新概念的提出，并逐步由波导光学拓展至微腔光学乃至冷原子物理和拓扑物理领域。本项目以超冷原子气体等连续光学介质和耦合微腔阵列等分立光学体系为对象，通过建立合适物理模型和设计独特操控方案，对折射率（极化率实部）和吸收系数（极化率虚部）进行空间关联调制，在以PT对称和PT反对称为基础的非厄米光学框架下，主要开展了“非厄米原子晶格中的单向光学反射和相干完美吸收”、“相干诱导非厄米冷原子光栅的可控非对称光学衍射”、“PT对称耦合微腔的可调谐散射与非线性输出增强”和“非厄米耦合微腔阵列的拓扑光子输运及其绝热控制”四项研究工作。主要科学发现：在PT反对称的超冷原子晶格中单向光学反射和相干完美吸收两种新奇现象之间有着紧密联系，体现为三维参数空间中的两条紧邻平行曲线，且二者对非关联的结构无序表现出很强的鲁棒性，但却易受自关联的几何无序影响偏离理想情况；超冷原子晶格也可用来实现非厄米光栅，对其透射函数的幅度和相位进行关联调制，远场衍射光子在一维情况下可以只出现在负角度方向或者正角度方向，在二维情况下可以只出现在两个相邻象限、或者两个对角象限、甚至任意一个象限；由耗散腔和增益腔构成的两体系统有PT对称相和PT破缺相交替出现的多重PT对称性，进而导致三种不同类型的反射和透射行为，而考虑嵌入原子的三体系统有更为丰富的非线性光学性质，并可在PT对称相和PT破缺相之间方便转换；在对应AAH模型（SSH模型）的耦合微腔系统中，输入光子平均位移在0和1两个状态之间还可以是与两个非简并暗态密切相关的任意分数（可利用二元Peierls相位构造一个异质结构，将拓扑保护光子局域态由内界面绝热转移至外边界）。上述研究结果发表在Physical Review A和Optics Letters等国际主流物理学期刊上，为设计未来量子信息网络不可或缺的非互易全光量子器件提供了可靠物理原型和重要理论基础。