中國青年報客戶端北京9月24日電（中青報·中青網記者 葉雨婷）記者今天從清華大學獲悉，物理系劉永椿副教授等人提出基於熱原子碰撞實現高性能光學非互易的方法，實驗實現了同時具有高隔離度（~ 40dB）、寬隔離帶寬（> 1.2GHz）和低插入損耗（< 1dB）的光學非互易。該工作為高性能光學非互易器件的設計提供了重要的思路，在集成光學和量子網絡等領域具有廣泛的應用前景。
據悉，洛倫茲互易是電磁學中的一個重要定理，它指出將源和觀察點的位置互換，產生電磁場的效果是一樣的。在光頻段，實現光的非互易傳輸，不僅在基礎科學研究方面具有重要的意義，而且在設計隔離器、環形器、定向放大器等多種器件方面起著不可或缺的作用。
通常情況下，熱原子碰撞會帶來退相干等負面影響，是實驗上需要避免的。該項研究發現對於實現光學非互易來說，原子相干性並非最重要的影響因素，原子在基態能級之間的布居差起著更關鍵的作用。基於充有銣87原子和緩衝氣體的原子氣室，利用兩束控制光（圖1中的耦合（Coupling）光和開關光（Switching）光），他們實現了銣87原子基態能級的布居數與探測光運動方向的鎖定，使探測光與控制光同向傳輸時被強烈吸收，而與控制光反向傳輸時卻幾乎不被吸收，即實現了探測光的非互易傳輸。通過結合緩衝氣體原子碰撞引起的碰撞展寬和原子熱運動引起的都卜勒展寬，並進一步利用展寬引起的相鄰能級共振譜線的交疊，極大地實現了隔離帶寬的增加。實驗的典型結果如圖1(c)-(d)所示,最高隔離度達40 dB,同時隔離度大於20 dB的頻率範圍超過1.2 GHz，該帶寬比原子光譜的自然線寬大了超過兩個數量級。
該研究成果以「碰撞誘導的寬帶光學非互易」（Collision-Induced Broadband Optical Nonreciprocity）為題發表在國際權威期刊《物理評論快報》（Physical Review Letters）上。物理系2018級博士生梁超和已出站的博士後劉貝（現為山東大學副研究員）為論文共同第一作者，劉永椿副教授為通訊作者。該研究工作得到了基金委、科技部、清華大學低維量子物理國家重點實驗室、量子信息前沿科學中心和廣東省科技廳的資助。
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