中國科大利用光力系統實現非互易的頻率轉換

我校郭光燦院士團隊在腔光力系統研究方面取得新進展。該團隊的董春華教授研究組通過光輻射壓力實現兩光學模式和兩機械模式間的相互作用，進而實現了任意兩模式間全光控的非互易頻率轉換。該研究成果于2023年1月6日發表在國際學術期刊《Physics Review Letters》。

光學和聲學非互易器件在構建基于光子和聲子的信息處理和傳感系統中是非常重要的元器件。雖然磁誘導非互易已廣泛應用于分立光學非互易器件，但在器件集成化方面仍面臨挑戰。同時，磁誘導聲學非互易由于效應較弱，也難以實現集成的聲學非互易器件。腔光力學系統是實現無磁非互易的有效系統之一，在之前的工作中研究組已經演示了基于腔光力相互作用的無磁光學環形器(Nature Communications 9, 1797 (2018))。

圖注：a-b.光力微腔中四模式耦合；c.相位控制的非互易頻率轉換的理論和實驗結果。

在本工作中，研究組研究了單個微腔中光子和聲子的非互易轉換。利用兩個光學模式和兩個機械模式通過光力相互作用構成閉環四模元格，這四個模式具有完全不同的頻率，分別為388 THz、309 THz、117 MHz和79 MHz。研究組演示了四個模式中任意兩個節點之間的非互易轉換，包括聲子-聲子（MHz-MHz）、光子-光子（THz-THz）和光子-聲子（THz-MHz）的非互易轉換。該非互易轉換的原理正是利用光力微腔中的多個模式構建人工規范場（詳見研究組的另一工作Physics Review Letters 126, 123603 (2021))，通過控制光的相位實現規范場中幾何相位，從而可以實現全光控制的靈活的非互易轉換。接下來，在該元格中引入第三個機械模式，實現了聲子環形器，該環形器的方向受兩個獨立的控制光相位決定。

該實驗結果可以推廣到微腔內其他的光學模式和機械模式，構建更多節點的混合網絡，實現信息在混合網絡中的單向傳輸，這在通訊和信息處理領域具有潛在的應用，特別是在光學波分復用網絡和用于連接不同頻率下工作的分立量子系統。

沈鎮、張延磊為該論文的共同第一作者，董春華為該論文的通訊作者。上述研究得到了科技部重點研發計劃、中國科學院、國家自然科學基金委、量子信息與量子科技前沿協同創新中心等單位的支持。

附論文鏈接：

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.130.013601