【導讀】
      近年來，光子學中人工維度（synthetic dimension in photonics）的概念受到了廣泛的關注[1]。在光學諧振腔中，通過動態調制，在以往的研究中，研究人員在理論上已經成功在單個光學腔（零維）中構建出二維的人工參數空間[3]。近日，美國斯坦福大學的Shanhui Fan教授課題組與合作者*實驗驗證了單個光學腔中構建兩個獨立的人工維度，并在該參數空間中探索了許多重要的物理現象。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上以預印版（First release）的形式在線發表。斯坦福大學的Shanhui Fan教授和上海交通大學的袁璐琦研究員為文章的共同通訊作者。武漢大學的肖孟教授也參與了這項工作。
      
      【創新研究】
      研究人員構建了一個由光纖構成的環型諧振腔，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，這些諧振模式在頻率維度上等間距分布。如果在光纖環中置入電光調制器，并加以精確設計的周期性調制電壓，這些諧振模式會產生有效的耦合，從而構成了光的頻率自由度上的人工維度。在此基礎之上，研究人員利用兩組不同長度的波導，使得環形諧振腔中的順時針光場模式與逆時針光場模式產生耦合，從而構建出由順時針/逆時針光場組成的額外自由度。這兩個相互獨立的人工維度形成了一個二維的人工參數空間（圖一）。通過調節波導的長度，研究人員能夠在人工維度上實現可控的模式躍遷，從而實現作用于光的等效規范場。
      在實驗中，研究人員在所構建的二維人工空間中，觀察到了光場的等效磁規范勢（effective magnetic gauge potential）以及拓撲單向邊界流（topological chiral one-way edge current），這些現象在理論上與霍爾階梯晶格（Hall ladder）一一對應。其中，研究人員通過外差探測直接觀察到了人工霍爾晶格所對應的手征流（chiral currents）。通過改變等效磁規范勢的作用方向，不同方向的手征流在實驗中被成功探測（圖二）。
      該項工作在實驗上證實了通過構建多個人工維度的方式，能夠在一個簡單的光學系統中設計并實現高維度、復雜的物理效應。這大大豐富了人工維度的應用前景。此外，復雜物理效應的實現也為光學系統中光學調控提供了更加豐富的手段。

圖一：動態調制的環型諧振腔支持兩個獨立人工維度（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的光場單向邊界流（圖片來源：Science A single photonic cavity with two independent physical synthetic dimensions）

      原文引自“兩江科技評論”微信公眾號。