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微腔光力系统研究进入到非线性领域

 “飞秒光物理和介观光学”创新研究群体成员肖云峰研究员和龚旗煌教授等人在微腔光力系统的非线性问题上取得重要进展,研究成果于2013年8月20日发表在物理学领域的顶级刊物《物理评论快报》上【Yong-Chun Liu, Yun-Feng Xiao*, You-Ling Chen, Xiao-Chong Yu, and Qihuang Gong*, Parametric Down-Conversion and Polariton Pair Generation in Optomechanical Systems, Phys. Rev. Lett. 111, 083601 (2013)】。论文第一作者为博士研究生刘永椿。

  微腔光力系统利用高品质微腔光学模式来增强光与宏观机械振子之间的相互作用。利用这种新型相互作用,科学家不仅可以对机械运动状态进行高精密测量,而且能对机械振子的运动进行精确操控,在精密测量,如引力波、质量和位移的高精度探测以及量子信息处理等方面有着重要的应用。通常,这种光-机械耦合主要表现为线性相互作用,而在应用价值更为丰富的非线性方面,其相互作用却往往很弱。创新群体通过高品质因子微腔内光场增强的光力耦合,产生正交模分裂,形成两个光子-声子极化子的新模式。利用频率匹配,两个极化子模式之间的非线性相互作用实现共振,将非线性系数提高两个数量级以上,从而大大增强了光力体系的非线性相互作用。该项研究表明利用增强的非线性作用可以制备出光子-声子极化子对,为微腔光力系统操控光子和声子提供了新的重要手段。

  近期,创新群体还通过动态调控微腔模式的耗散,克服了量子反作用的加热效应,使得机械振子冷却速率更快,且冷却极限降低2-3个数量级【Phys. Rev. Lett. 110, 153606 (2013)】。此外,他们结合光学微腔模式的超高品质因子和等离激元的光场高度局域优势,获得新型复合光场模式,使得单原子和单光子的相互作用深入到了更强的耦合极限,研究工作以Rapid Communications(快讯)形式发表在《物理评论A》【Physical Review A 85, 031805(R) (2012)】。该工作被作为复合模式的典型代表在最近发表的《自然•物理》综述文章重点介绍。

上图:光学微腔-机械振子耦合体系模型图。下图:光-机械振子耦合的局部能级结构。

    上述系列工作得到了科技部973计划、国家自然科学基金、教育部博士点基金以及人工微结构和介观物理国家重点实验室的支持。

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