近日，清華大學(xué)物理系劉永椿副教授等人提出基于熱原子碰撞實(shí)現(xiàn)高性能光學(xué)非互易的方法，實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了同時(shí)具有高隔離度（~ 40dB）、寬隔離帶寬（> 1.2GHz）和低插入損耗（< 1dB）的光學(xué)非互易。該工作為高性能光學(xué)非互易器件的設(shè)計(jì)提供了重要的思路，在集成光學(xué)和量子網(wǎng)絡(luò)等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

洛倫茲互易是電磁學(xué)中的一個(gè)重要定理，它指出將源和觀察點(diǎn)的位置互換，產(chǎn)生電磁場(chǎng)的效果是一樣的。在光頻段，實(shí)現(xiàn)光的非互易傳輸，不僅在基礎(chǔ)科學(xué)研究方面具有重要的意義，而且在設(shè)計(jì)隔離器、環(huán)形器、定向放大器等多種器件方面起著不可或缺的作用。

圖1.實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和典型實(shí)驗(yàn)結(jié)果。（a）和（b）為實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)圖，（a）表示同向傳輸?shù)那闆r，（b）表示反向傳輸?shù)那闆r。（c）和（d）為典型實(shí)驗(yàn)結(jié)果，（c）畫(huà)出了探測(cè)光的透過(guò)率譜，（d）是對(duì)應(yīng)的隔離度和對(duì)比度。（c）和（d）中陰影部分表示隔離度大于20 dB的頻率范圍。

通常情況下，熱原子碰撞會(huì)帶來(lái)退相干等負(fù)面影響，是實(shí)驗(yàn)上需要避免的。該項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)對(duì)于實(shí)現(xiàn)光學(xué)非互易來(lái)說(shuō)，原子相干性并非最重要的影響因素，原子在基態(tài)能級(jí)之間的布居差起著更關(guān)鍵的作用�；�于充有銣87原子和緩沖氣體的原子氣室，利用兩束控制光（圖1中的耦合（Coupling）光和開(kāi)關(guān)光（Switching）光），他們實(shí)現(xiàn)了銣87原子基態(tài)能級(jí)的布居數(shù)與探測(cè)光運(yùn)動(dòng)方向的鎖定，使探測(cè)光與控制光同向傳輸時(shí)被強(qiáng)烈吸收，而與控制光反向傳輸時(shí)卻幾乎不被吸收，即實(shí)現(xiàn)了探測(cè)光的非互易傳輸。通過(guò)結(jié)合緩沖氣體原子碰撞引起的碰撞展寬和原子熱運(yùn)動(dòng)引起的多普勒展寬，并進(jìn)一步利用展寬引起的相鄰能級(jí)共振譜線的交疊，極大地實(shí)現(xiàn)了隔離帶寬的增加。實(shí)驗(yàn)的典型結(jié)果如圖1(c)-(d)所示,最高隔離度達(dá)40 dB,同時(shí)隔離度大于20 dB的頻率范圍超過(guò)1.2 GHz，該帶寬比原子光譜的自然線寬大了超過(guò)兩個(gè)數(shù)量級(jí)。

該研究成果以“碰撞誘導(dǎo)的寬帶光學(xué)非互易”（Collision-Induced Broadband Optical Nonreciprocity）為題發(fā)表在國(guó)際權(quán)威期刊《物理評(píng)論快報(bào)》（Physical Review Letters）上。物理系2018級(jí)博士生梁超和已出站的博士后劉貝（現(xiàn)為山東大學(xué)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(xué)低維量子物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、量子信息前沿科學(xué)中心和廣東省科技廳的資助。

文章鏈接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.125.123901