基于等离激元诱导透明效应的非线性超颖材料研究
发布日期:2017-06-02   作者:李本泰   浏览次数:930

光与多能级体系相互作用时所产生的电磁感应透明electromagnetically induced transparency, 简称EIT)有许多重要的研究意义和应用。但是,通常的EIT 是在原子气体介质中实现的,不仅需要较为苛刻的实验条件(比如较大的装置尺寸、超冷的环境温度等),也难以实现相关器件的小型化与集成化。近年来,与EIT 的经典类比,人工超颖材料中所呈现的等离激元诱导透明(plasmon-induced transparency,简称PIT)现象,引起了人们的很大兴趣。人们不仅可以借用原子EIT的概念和方法研究PIT,而且PIT有若干独特优点,特别是可以通过设计不同形状与尺寸的超颖原子嵌入于固态基质材料中,从而可方便地实现器件的小型化与集成化。PIT的基本原理与原子EIT 类似,即通过体系的亮振子与暗振子的相互耦合而产生干涉现象有效地消除体系的辐射阻尼。基于PIT 的超颖材料有许多潜在的应用,包括设计光学缓存器和高敏感传感器、实现超快光开关和光学存储器等。然而,到目前为止,有关PIT 超颖材料的研究工作都集中在线性区域。

2015年开始,实验室黄国翔教授研究小组率先开展了非线性PIT 的理论研究。在博士生白正阳等人的共同努力下,提出了一种新型非线性超颖材料模型(见图1),证明了在利用PIT效应不仅可有效地消除超颖材料中的辐射阻尼,而且通过在暗振子中嵌入非线性元件(如变容二极管)可使体系的克尔非线性效应大为增强,从而可产生低功率的等离极化激元孤子,相关的研究成果发表在Sci. Rep. 5, 13780 2015)上。在此基础上,该研究小组开展了进一步的研究,获得了系列研究成果,包括(1)利用PIT系统中可能发生的长波-短波的共振使体系的三阶克尔非线性效应进一步提高一个数量级,在体系中产生低功率的(2+1)维非线性激发 [Phys. Rev. A 93, 013818 (2016)];(2)证明了通过绝热地关闭和开启控制场,在 PIT 阵列中可以实现携带轨道角动量的多模等离极化激元的有效存储和读取[Opt. Express. 25, 785 (2017)](3) 提出了原子四波混频的 PIT 类比模型,证明了在体系中可产生矢量等离激元孤子[arXiv:1704.05583 (2017)]。有关研究结果为实现超颖材料的非线性效应、稳定传播的电磁脉冲及其在信息处理中的应用提供了有效的思路和方案,开拓了基于等离子体诱导透明效应的非线性等离激元物理学研究的新方向。



(a) 辐射场与PIT超颖原子阵列相互作用模型(上),和嵌入非线性元件(变容二极管)的超颖原子及PIT超颖原子阵列的归一化吸收谱线(下);(b) 长波-短波的共振区域(左),和增强的克尔效应(右);(c) 超颖材料中等离极化激元的有效存储和读取。