光磁力系统的电磁诱导透明及声子冷却

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杂化量子系统被美国《物理评论》社论评价为“未来数十年内孕育量子科学重大发现的温床”,不仅可以用于揭示更多的新奇量子效应,而且可以构建各种新型人工量子器件,把不同物理系统的独特优势结合起来,例如电光力量子态转换器、微观量子系统(量子点、自旋、冷原子、超导量子比特等)与宏观系统(机械振子等)的耦合系统、光磁力杂化系统与磁力仪、光力悬浮系统与量子传感装置等。本文特别关注的是腔光力杂化量子系统,这方面的研究被英国《自然》杂志评为光学发展史上的23个里程碑之一;2017年和2018年两次诺贝尔物理学奖的工作都是基于光力系统。我们注意到,这方面的研究逐渐跟奇异点物理结合起来,形成各种新奇的非厄米杂化量子系统。所谓的奇异点,是指物理系统中两个或多个本征模的合并的现象,伴随这一现象会出现诸多反常效应,例如单向激光与非互易传输、完美吸收与隐形探测、拓扑能量转移与远距离无线输电、以及光学传感灵敏度增强等。在此背景下,本文利用光磁力杂化系统研究力学驱动辅助的电磁诱导透明和奇异点辅助的光传输与声子调控。本文主要创新结果如下:(1)针对单光腔中的双力学振子系统,研究了选择性力学驱动调控的电磁诱导透明效应。我们发现,通过选择性驱动力学振子,腔内的光场和不同力学振动的耦合会选择性增强或消弱,从而影响电磁诱导透明的输出光谱,影响信号光的透射率、二阶边带效应、以及慢光效应。我们通过解析计算和数值分析发现,选择性驱动力学振子,不但可实现透明窗口的选择性放大和快慢光的有效调节,还可以实现通常很弱的非线性光学二阶边带振幅的明显增强。这些结果不仅对双力学振子的光力系统用于光学信号操纵与激光通信有直接的实用价值,而且,从更广泛视野来看,对利用力学机械操控来调节和增强电力耦合、磁力耦合、力学-量子点耦合等不同的杂化量子系统都带来新的手段。(2)针对腔光磁力系统,研究了奇异点辅助的电磁诱导透明过程。如最近实验观测到的,通过调节钇铁石榴石(YIG)小球在腔场中的位置,可实现相干或耗散的磁光耦合,相干耦合导致杂化模式间的能级排斥,而耗散耦合导致能级吸引。在这个非厄米光磁耗散耦合的杂化系统中,通过改变光子与磁子之间的失谐,可出现所谓的奇异点。通过解析计算和数值分析,我们发现,伴随着奇异点的出现,探测光的透射率和群速度延迟发生明显的变化,即在奇异点附近,不但探测光传输出现抑制和恢复现象,还可以实现快慢光的快速转变。(3)针对奇异点辅助的光磁力系统,研究了伴随电磁诱导透明过程而出现的力学冷却增强效应。通过解析计算和数值分析,我们发现相比于常规腔光磁力系统,在实验可行参数下,奇异点附近的声子冷却效率可以提高两倍。这些结果表明,把奇异点技术引入杂化量子系统,可以诱导出更多的新奇物理效应,有效增强杂化系统的各种性能,从而有希望给杂化量子系统的应用带来新的操控手段。
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