导读
近日，课题组与南京大学合作，提出了时域准相位平匹配理论 (temporal quasi-phase matching, TQPM)，并通过结合受激拉曼绝热演化通道技术(stimulated Raman adiabatic passage, STIRAP)，在实验上实现了任意频率失谐声学腔之间鲁棒的声能量转移和完全的频率转换。通过优化动态耦合的时间差来打破时间反演对称性，团队在三腔耦合系统中实现了一种全新的声学环路器和单向吸收器。该工作以Robust temporal adiabatic passage with perfect frequency conversion between detuned acoustic cavities为题，发表在Nature Communications上。南京大学陈召宪博士和华中科技大学彭玉桂副教授为论文共同第一作者，华中科技大学祝雪丰教授、南京大学陈泽国副教授和陆延青教授为论文共同通讯作者，南京大学刘袁博士和陈鹏副教授对本文亦有重要贡献。STIRAP技术发明人德国凯泽斯劳滕大学Klaas Bergmann教授对文章撰写和审稿回复提供了宝贵建议和指导。
研究背景
对于光波、声波等经典波系统，相位匹配(phase matching)对于不同谐波或波导模式之间的能量转化至关重要。在线性条件下，完全的能量振荡只能发生在全同耦合波导中。在非线性条件下，由于光学晶体材料普遍具有折射率色散，基波(fundamental wave)到谐波(harmonic wave)的转换效率受到了相位失配的制约。为此，研究人员提出了准相位匹配理论(quasi-phase matching)，即通过在空间上周期性翻转非线性晶体的极化方向(domain engineering)，来补偿基波和谐波之间的相位失配，从而增大谐波转换效率。然而对于声波来说，自然界中缺乏同时具有高非线性和低传输损耗的媒质材料，如何高效、鲁棒地实现声波的能量转移和频率转换一直有待探索和解决。
另一方面，STIRAP技术由德国物理学家Klaas Bergmann等人于上个世纪九十年代提出，即通过使用两个具有时间差的光脉冲在三能级系统中构造零能模。相比于依赖单脉冲的拉比振荡，STIRAP技术通过借助零能模的绝热演化，可以实现高效且鲁棒的量子态转移。华中科技大学祝雪丰教授团队前期将STIRAP技术拓展到了声学波导系统，实现了鲁棒的声波单向耦合器：2019 PRL-绝热声学系统中单向声波局域化。但是如何在时域上运用STIRAP技术实现声波的能量转移仍是一个难题。
研究亮点
在本论文中，我们将三能级原子系统的STIRAP技术直接映射到了时域声学耦合腔系统。如图1所示，三个声学腔A、B和C的共振频率分别为fA，fB和fC来类比于三个能级；相邻腔之间耦合κAB(t)和κBC(t)的幅值和相位(正或负)按高斯函数形式调制来类比光学脉冲。通过借助中间B腔，我们在任意频率失谐腔A和C之间构造了时域绝热演化通道，实现了鲁棒的声能量转移和频率转换。同时，耦合的时间差Δt打破了系统的时间反演对称性(time-reversal symmetry)，可以使系统实现环路器、单向吸收器等功能。
图1：鲁棒且非互易的瞬态绝热演化通道。
总结与展望
本研究中我们提出了时域准相位匹配理论TQPM，通过周期性翻转时变耦合的符号，在频率失谐腔之间实现了完全的声能量振荡传输和频率转化。进一步地，通过结合STIRAP技术，我们实现了鲁棒的声能量转移，并开发了适用于脉冲能量的声学环路器和单向吸收器。该研究进一步推动了瞬态声波操控研究，丰富了非互易声学器件设计，并为STIRAP技术推向纳机电系统(Nano-electromechanical system, NEMS)和腔光力学系统提供了启发。
