课题组在相干原子系综中实现可重构几何结构的光子石墨烯中取得重要进展
石墨烯是一种具有单层二维蜂巢状晶格结构的固体材料，其优越的光学、电学等特性使其成为了物理、化学等众多学科领域备受关注的研究热点。光子石墨烯，又称蜂巢晶格，是光子学中石墨烯的类似物，其晶格结构同样呈现蜂巢状的分布，在拓扑光子学领域具有广阔的应用前景。目前，基于固体材料的光子石墨烯已被广泛研究。然而，这些光子石墨烯的晶格结构通常不可调谐，这使得光子石墨烯在量子信息处理、全光网络等对可调谐特性有高要求的研究领域受到一定的限制。相比于固体材料，相干原子介质因其瞬时可重构特性而被广泛应用于可调谐光子晶体的制备。近年来，基于原子介质电磁诱导透明效应产生的光子石墨烯，其突出的可调谐特性，在拓扑缺陷、自旋-轨道耦合、边界态以及角依赖克莱因隧穿等类石墨烯效应的研究中产生了更加迷人的新现象。这些研究都是在常规光子石墨烯中实现的，而更多几何结构的光子石墨烯，如可拉伸结构，还没有在原子介质中被实现，这种拉伸结构也将为在原子介质中研究光传输和谷霍尔效应铺平道路。
课题组近期于Frontiers of Physics发表文章“Photonic graphene with reconfigurable geometric structures in coherent atomic ensembles”，首次在相干三能级铷原子系统中实现了可重构几何结构的光子石墨烯，并对其可调谐特性进行系统的研究。研究人员首先利用电磁诱导透明效应和三光干涉技术在热原子介质中诱导出光子石墨烯，通过调节三束干涉耦合光场的空间排布，实现不同几何拉伸结构的光子石墨烯，并根据入射探测场的离散衍射图样来表征当前光子石墨烯的几何特征。
图1 (a) 实验能级图；(b)拉伸光子石墨烯的原理图。
研究团队在理论上模拟了不同几何结构的光子石墨烯对应的六角耦合光场以及其双光子失谐Δ>0时远场衍射图案，并观察到与理论相一致的实验结果。在常规的光子石墨烯中，即三束耦合光的空间排布呈等边三角形，探测光的远场衍射图案展示出正六角分布，其一阶衍射强度近似相等。在此基础上，通过改变三束耦合光的空间排布，使其呈等腰的钝角或锐角三角形分布，分别得到了沿横向或纵向拉伸的光子石墨烯。同时在远场衍射中也可以观测到一个横向或纵向拉伸的六角分布衍射图案，拉伸方向的一阶衍射强度由于晶格常数的增加而减弱，拉伸程度越大，该衍射强度越弱。
图2 (a1-e1) 理论模拟六角耦合场。(a1) 30°, (b1) 45°, (c1) 60°, (d1) 90°, (e1) 120°。(a2-e2) 为
相应的理论模拟远场衍射图。(a3-e3) 为实验观测到的输出探测光束的远场衍射图。
进一步地，基于电磁诱导透明效应的各种相干控制技术，通过对该系统施加光场特性的改变，探测光所感受到的原子介质折射率可以被周期性地进行调制，从而改变其晶格点的调制深度。根据研究团队之前工作的发现，当双光子失谐Δ由负值变为正值时，其折射率发生反转，尽管其剖面一直呈现出蜂巢晶格的轮廓，但其对应的探测光衍射图样会呈现出蜂巢型到六角型的演变 [Opt. Express 31(7), 11335-11343 (2023)]。为了更好地证明拉伸结构光子石墨烯的产生，同时避免由于在Δ < 0时，自散焦效应导致的远场衍射观测误差，研究团队在实验上分别观测了-15 MHz和15 MHz时该光子石墨烯不同几何结构的近场衍射图样。实验发现，在-15 MHz下，常规光子石墨烯输出的探测光束展示出一个清晰蜂巢轮廓。通过改变三束耦合光束空间排布，蜂巢状的衍射图案将会沿不同的方向拉伸；而15 MHz时的近场衍射变化与远场观测情况基本一致。该近场衍射现象进一步形象地表征了光子石墨烯几何结构的重构过程，增加了实验结论的可信性。因此，通过改变三束干涉耦合光的空间排布，可以实现任意拉伸程度的光子石墨烯。这种具有可重构几何结构的光子石墨烯为进一步研究光传输和谷霍尔效应铺平了道路。此外，研究人员还通过改变系统参数，例如，双光子失谐以及耦合光功率，动态调节光子石墨烯格点强度的分布，充分展现了该系统灵活的可调谐特性，为进一步研究原子系统中的量子信息处理和量子网络提供了理想的平台。
图3 不同几何结构的光子石墨烯的输出探测光束的近场衍射图。
论文地址：https://doi.org/11.1007/sll14767-023-1294-2
