文|陈根

通常情况下,用于控制原子的激光器,需要借助隔离器来阻挡不必要的反射。然而此前在大量实验中运行良好的隔离器,已被证明难以进一步小型化。即使在最佳情况下,光也会在遇到隔离器各种表面时被反射、吸收和折射。

此外,在大型量子设备中进行光路控制是一项挑战很大的任务,其涉及到许多镜面、透镜、光纤等组件。而想要实现整体装置的小型化,也需要从多方面着手。幸运的是,过去几年,科学家们已经在微芯片的光控制元件设计方面取得了一定成果。

例如,通过制造波导(光传输通道),甚至能够利用某些材料来改变其颜色。然而要想使微小光点(光子)沿单向移动、同时抑制不需要的向后反射,依然是一件棘手的事情。

近日,从光子的独特性质出发,伊利诺伊大学香槟分校(UIUC)的研究团队用铌酸锂制造了 780nm / 1550nm 波长的片上隔光器。测量结果表明,其隔离方法优于此前所有片上替代方案,且针对原子基传感器的兼容性实施了优化。

光子是光线中携带能量的粒子,一个光子能量的多少正比于光波的频率大小, 频率越高能量越高。当一个光子被原子吸收时,就有一个电子获得足够的能量从而从内轨道跃迁到外轨道,具有电子跃迁的原子就从基态变成了激发态。

该隔离器包含一个波导和一个相邻的环形谐振器,整体看起来像是一条长方形的跑道。一般无论光是从哪个方向射入的,都会经由波导进入谐振器,从而阻挡所有光流。但当研究人员将声波施加到环上时,谐振器就只捕获通过波导向后移动的光。在前进方向上,光会畅通无阻地通过波导。

实验结果表明,几乎每个光子都向前移动通过波导,而向后移动的几率低至万分之一。这意味着该设计已将损耗(不需要的光吸收)降低到了接近于零的水平,有效化解了此前片上隔离器长期存在的难题。

未来,该光子隔离方案有望推动量子技术的小型化。