【導(dǎo)讀】
      近年來，光子學(xué)中人工維度（synthetic dimension in photonics）的概念受到了廣泛的關(guān)注[1]。在光學(xué)諧振腔中，通過動(dòng)態(tài)調(diào)制，在以往的研究中，研究人員在理論上已經(jīng)成功在單個(gè)光學(xué)腔（零維）中構(gòu)建出二維的人工參數(shù)空間[3]。近日，美國(guó)斯坦福大學(xué)的Shanhui Fan教授課題組與合作者*實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了單個(gè)光學(xué)腔中構(gòu)建兩個(gè)獨(dú)立的人工維度，并在該參數(shù)空間中探索了許多重要的物理現(xiàn)象。該研究成果以”A single photonic cavity with two independent physical synthetic dimensions”為題于2019年11月28日在Science上以預(yù)印版（First release）的形式在線發(fā)表。斯坦福大學(xué)的Shanhui Fan教授和上海交通大學(xué)的袁璐琦研究員為文章的共同通訊作者。武漢大學(xué)的肖孟教授也參與了這項(xiàng)工作。
      
      【創(chuàng)新研究】
      研究人員構(gòu)建了一個(gè)由光纖構(gòu)成的環(huán)型諧振腔，該諧振腔具有一系列的諧振模式。在不考慮光纖中的群速度色散時(shí)，這些諧振模式在頻率維度上等間距分布。如果在光纖環(huán)中置入電光調(diào)制器，并加以精確設(shè)計(jì)的周期性調(diào)制電壓，這些諧振模式會(huì)產(chǎn)生有效的耦合，從而構(gòu)成了光的頻率自由度上的人工維度。在此基礎(chǔ)之上，研究人員利用兩組不同長(zhǎng)度的波導(dǎo)，使得環(huán)形諧振腔中的順時(shí)針光場(chǎng)模式與逆時(shí)針光場(chǎng)模式產(chǎn)生耦合，從而構(gòu)建出由順時(shí)針/逆時(shí)針光場(chǎng)組成的額外自由度。這兩個(gè)相互獨(dú)立的人工維度形成了一個(gè)二維的人工參數(shù)空間（圖一）。通過調(diào)節(jié)波導(dǎo)的長(zhǎng)度，研究人員能夠在人工維度上實(shí)現(xiàn)可控的模式躍遷，從而實(shí)現(xiàn)作用于光的等效規(guī)范場(chǎng)。
      在實(shí)驗(yàn)中，研究人員在所構(gòu)建的二維人工空間中，觀察到了光場(chǎng)的等效磁規(guī)范勢(shì)（effective magnetic gauge potential）以及拓?fù)鋯蜗蜻吔缌鳎╰opological chiral one-way edge current），這些現(xiàn)象在理論上與霍爾階梯晶格（Hall ladder）一一對(duì)應(yīng)。其中，研究人員通過外差探測(cè)直接觀察到了人工霍爾晶格所對(duì)應(yīng)的手征流（chiral currents）。通過改變等效磁規(guī)范勢(shì)的作用方向，不同方向的手征流在實(shí)驗(yàn)中被成功探測(cè)（圖二）。
      該項(xiàng)工作在實(shí)驗(yàn)上證實(shí)了通過構(gòu)建多個(gè)人工維度的方式，能夠在一個(gè)簡(jiǎn)單的光學(xué)系統(tǒng)中設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)高維度、復(fù)雜的物理效應(yīng)。這大大豐富了人工維度的應(yīng)用前景。此外，復(fù)雜物理效應(yīng)的實(shí)現(xiàn)也為光學(xué)系統(tǒng)中光學(xué)調(diào)控提供了更加豐富的手段。

圖一：動(dòng)態(tài)調(diào)制的環(huán)型諧振腔支持兩個(gè)獨(dú)立人工維度（圖片來源：Science A single photonic cavity with two independent physical synthetic dimensions）

圖二：直接觀察到與人工霍爾階梯晶格相關(guān)的光場(chǎng)單向邊界流（圖片來源：Science A single photonic cavity with two independent physical synthetic dimensions）

      原文引自“兩江科技評(píng)論”微信公眾號(hào)。