中國科大實(shí)現(xiàn)任意兩模式間全光控的非互易頻率轉(zhuǎn)換

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)郭光燦院士團(tuán)隊(duì)在腔光力系統(tǒng)研究方面取得新進(jìn)展。該團(tuán)隊(duì)的董春華教授研究組通過光輻射壓力實(shí)現(xiàn)兩光學(xué)模式和兩機(jī)械模式間的相互作用，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了任意兩模式間全光控的非互易頻率轉(zhuǎn)換。該研究成果于2023年1月6日發(fā)表在國際學(xué)術(shù)期刊《Physics Review Letters》。

光學(xué)和聲學(xué)非互易器件在構(gòu)建基于光子和聲子的信息處理和傳感系統(tǒng)中是非常重要的元器件。雖然磁誘導(dǎo)非互易已廣泛應(yīng)用于分立光學(xué)非互易器件，但在器件集成化方面仍面臨挑戰(zhàn)。同時(shí)，磁誘導(dǎo)聲學(xué)非互易由于效應(yīng)較弱，也難以實(shí)現(xiàn)集成的聲學(xué)非互易器件。腔光力學(xué)系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)無磁非互易的有效系統(tǒng)之一，在之前的工作中研究組已經(jīng)演示了基于腔光力相互作用的無磁光學(xué)環(huán)形器（Nature Communications 9， 1797 （2018））。

圖 a-b.光力微腔中四模式耦合；c.相位控制的非互易頻率轉(zhuǎn)換的理論和實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

在本工作中，研究組研究了單個(gè)微腔中光子和聲子的非互易轉(zhuǎn)換。利用兩個(gè)光學(xué)模式和兩個(gè)機(jī)械模式通過光力相互作用構(gòu)成閉環(huán)四模元格，這四個(gè)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(gè)模式中任意兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的非互易轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換。該非互易轉(zhuǎn)換的原理正是利用光力微腔中的多個(gè)模式構(gòu)建人工規(guī)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(shí)現(xiàn)規(guī)范場中幾何相位，從而可以實(shí)現(xiàn)全光控制的靈活的非互易轉(zhuǎn)換。

接下來，在該元格中引入第三個(gè)機(jī)械模式，實(shí)現(xiàn)了聲子環(huán)形器，該環(huán)形器的方向受兩個(gè)獨(dú)立的控制光相位決定。

該實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以推廣到微腔內(nèi)其他的光學(xué)模式和機(jī)械模式，構(gòu)建更多節(jié)點(diǎn)的混合網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)信息在混合網(wǎng)絡(luò)中的單向傳輸，這在通訊和信息處理領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用，特別是在光學(xué)波分復(fù)用網(wǎng)絡(luò)和用于連接不同頻率下工作的分立量子系統(tǒng)。

沈鎮(zhèn)、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(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、中國科學(xué)院、國家自然科學(xué)基金委、量子信息與量子科技前沿協(xié)同創(chuàng)新中心等單位的支持。

審核編輯 ：李倩