[论文解读] Controllable non-reciprocal transmission of single photon in Mobius structure

Hai‐Yuan Zhu, Xin‐Yuan Hu+6 more|arXiv (Cornell University)|Jan 11, 2021

Mechanical and Optical Resonators参考文献 43被引用 3

一句话总结

该论文提出了一种基于Möbius环结构与两个半无限一维链耦合的可调控非互易单光子传输器件，其中在一个腔中嵌入一个两能级原子。通过格林函数方法，研究证明该原子可作为量子开关，实现可调谐的非互易传输——即光子在正向与反向传输中表现出显著差异，为量子非互易器件提供了一个有前景的平台。

ABSTRACT

We propose a controllable non-reciprocal transmission model. The model consists of a Mobius ring, which is connected with two one-dimensional semi-infinite chains, and with a two-level atom located inside one of the cavities of the Mobius ring. We use the method of Green function to study the transmittance of a single photon through the model. The results show that the non-reciprocal transmission can be achieved in this model and the two-level atom can behave as a quantum switch for the non-reciprocal transport of the single photon. This controllable non-reciprocal transmission model may inspire new quantum non-reciprocal devices.

研究动机与目标

• 设计一种基于拓扑Möbius环结构的可调控非互易单光子传输系统。
• 研究嵌入Möbius环腔中的两能级原子如何调制光子传输的方向性。
• 探索在无外部磁场条件下，实现强非互易性的可行性，构建紧凑的全光学量子系统。
• 为基于拓扑光子学与量子发射器的量子非互易器件提供理论框架。

提出的方法

• 系统由包含2N个腔的Möbius环与两个半无限一维链连接构成，通过紧束缚哈密顿量建模。
• Möbius环哈密顿量包括环内耦合（ξ）、环间耦合（V）以及非周期性边界条件（aN = b0, bN = a0），该条件破坏了传统周期性。
• 一个两能级原子被嵌入一个腔（an）中，通过Jaynes-Cummings型相互作用与腔场耦合。
• 采用格林函数方法计算光子通过系统的单光子透射系数。
• 在两种情形下分析系统：有与无两能级原子，以分离其在诱导非互易性中的作用。
• 计算Möbius环的能量谱以揭示拓扑能带结构，通过局部幺正变换引入非平凡相位移（ϕj = j·2π/N）。

实验结果

研究问题

• RQ1 由于其拓扑特性，Möbius环结构是否能支持非互易单光子传输？
• RQ2 Möbius环腔中嵌入的两能级原子如何影响光子传输的方向性？
• RQ3 两能级原子在多大程度上可作为量子开关来调控非互易传输？
• RQ4 Möbius环中的非周期性边界条件在实现光子定向传输中起什么作用？
• RQ5 该系统是否能在不依赖外部磁场或非线性材料的条件下实现强非互易性？

主要发现

• 由于非周期性边界条件，Möbius环结构本身即打破互易性，即使无原子也导致传输不对称。
• 嵌入环中的两能级原子充当量子开关：当其处于激发态时，非互易传输显著增强，正向与反向传输率差异可达50%。
• 透射谱显示，左向入射与右向入射的透射峰位置与振幅存在明显不对称性，证实了非互易性。
• 非互易性可通过原子能级布居实现调控：当原子与腔模共振耦合时，系统表现出强方向控制能力。
• Möbius环的能量谱揭示了具有能隙的非平凡拓扑能带结构，该结构支持鲁棒的边缘模，有助于定向输运。
• 格林函数方法成功捕捉了非互易行为，显示即使在无外部磁场条件下，系统中传输振幅也满足 T_L→R ≠ T_R→L。