兰州大学研究人员利用腔磁子学装置实现非互易光速控制

介质谐振器中的光子（黄色）通过微带线（灰色）与YIG球体（紫色）中的磁振子相互作用。这种相互作用就像微波脉冲的“交通信号灯”——在一个方向上加速（绿色），在另一个方向上减速（红色），并由磁场控制。

可靠地操纵光在物体中的传播速度，对于开发各种先进技术（包括高速通信系统和量子信息处理设备）具有重要意义。操纵光速的传统方法，如利用所谓电磁诱导透明效应（EIT）的技术，是通过利用介质中的量子干涉效应来实现的，这种效应可以使介质对光束透明，并减慢光穿过介质的速度。

尽管这些技术各有优势，但它们只能实现对群速度（即波包包络在介质中的传播速度）的互易控制，这意味着光束在通过设备时，无论其传播方向如何，其表现都是一样的。然而，对光速的非互易控制也同样有价值，特别是对于开发先进设备而言，让信号以所需的速度沿所需的方向传播，将使这些设备受益匪浅。

加拿大曼尼托巴大学（University of Manitoba）和中国兰州大学（Lanzhou University）的研究人员最近展示了利用空腔磁子器件对光速进行非互易控制的方法。空腔磁子器件是一种将微波光子（即微波光量子）与磁子（即材料中电子自旋振荡的量子）耦合的系统。

他们在《物理评论快报》（Physical Review Letters）上发表的一篇论文概述了他们采用的基于磁子学的方法，这些方法可能有助于推动微波信号通信、神经形态计算和量子电路的发展。

曼尼托巴大学动态自旋电子学组组长胡灿明（ Can-Ming Hu）告诉《物理评论快报》：“2019 年，我的研究团队展示了一种在混合空腔磁学系统中产生耗散耦合的新方法。”

“我们在《物理评论快报》上发表的论文介绍了我们的技术，该技术实现了非互易信号传输，具有可观的隔离率和灵活的可控性。”

作为他们早期工作的一部分，胡和他的同事们曾尝试操控仅在一个方向上传播的光的振幅（即光波电场或磁场的最大强度）。然而，光还具有另一个基本特征，即相位，也就是光波相对于特定参考位置的“距离”。

“相位操纵也具有广泛的影响，因为它决定了在各种系统中传输信息的脉冲速度，”胡教授说道。“这项新研究的主要目的是解决以下问题：自然界是否允许我们在保持双向可比传输振幅的同时，非互易地操纵光的相位。“

“有一条被称为克拉默斯-克罗尼格关系的基本原理似乎禁止这样做，但令人惊讶的是，我们的实验表明，大自然在这方面对我们格外慷慨。”

试图降低光速的一个关键目标是在不影响光脉冲传输效率的情况下显著改变光脉冲的速度。这通常是通过杂化谐振系统中的干涉效应来实现的，这种效应被称为量子态中 EIT 效应的经典类似物。

“在我们的工作中，我们利用介质谐振器的光子模式和磁性钇铁石榴石（YIG）球的磁子模式构建了这样一个混合系统，”该论文的第一作者、资深博士生姚继光（ Jiguang Yao）解释说。

“与传统的谐振器不同，磁性材料具有内在的手性--它的自旋在一个由外加磁场决定的固定方向上前行。这种手性可被利用来诱导非互易性，并通过共同微带引入额外的耗散耦合来实现。因此，我们实现了一个非互易且可控的光传播系统。”

为了证明他们所提出方法的潜力，研究人员从两个方向向他们开发的耦合腔磁系统发送了一个微波脉冲。当他们将这一脉冲的速度与参考路径进行比较时，发现他们的方法实现了惊人的延迟和提前效应，而且是非互易的。

“从信号通信到神经形态计算和量子信号处理等各个领域，光和微波脉冲都是信息的载体。”该论文的共同作者、初级博士生 杰瑞-卢（Jerry Lu） 说道。

"此前，在电磁波非互易控制方面的研究主要集中在定向振幅操纵上--只允许单向传输。这一概念是隔离器和环行器等通信系统重要组件的基础。我们的研究首次发现，光可以在两个方向以不同的速度传播。”

该研究团队提出的非互易控制光速的新方法前景广阔，可能很快就能开发出各种此前无法想象的尖端技术。与此同时，胡教授和他的研究团队正在努力进一步改进他们的方法，希望能增强其产生的延迟和高级效应。

胡教授补充道：“尽管我们的工作所展示的效果令人振奋，但迄今为止所实现的时间延迟/提前仍然相对有限。”

“增强这种效果对于实现实际应用至关重要。作为第一步，我们计划在我们的设备中引入一些新技术来增强这种效果。从长远来看，我们打算探索更广泛的应用场景。”