导语

近日，我院2021级本科生戚传昭、郑家瑞、童远航在基于原子非线性实现无磁的光学非互易（Optical nonreciprocity，ONR）传输方面取得新进展，其成果“Cavity-Induced Optical Nonreciprocity Based on Degenerate Two-Level Atoms”在《Nanomaterials》期刊上发表，戚传昭同学为本文第一作者，周海涛教授和王丹副教授为共同通讯作者。

戚传昭等同学依托拔尖基地科创项目“基于原子-腔耦合系统的光学非互易操控的实验研究”，开展了原子腔耦合系统中常温条件下的光学非互易传输。研究了在简并二能级中，环形光学腔中原子的随机热运动引发的微观多普勒频移，并通过理论模拟和实验验证，探究了简并能级下全光控制的光学非互易传输特性与实现光隔离的可行性。在山西大学第一届“物理学国际暑期学校暨本科生学术活动周”举办期间，该小组的学术报告及学术墙报，经校内外专家、拔尖学生评选，获得“最佳墙报奖”。今年5月份，在大学生创新创业训练项目的结题答辩评审中被评为“优秀”等级。

论文介绍

光学非互易传输是光隔离器的物理基础，光隔离器在光学系统中能够防止信号反向传播，保障系统稳定性和性能。传统光隔离器的实现依赖于法拉第旋光效应，需要在磁光介质中施加强磁场以改变其中传输光的偏振方向。然而，传统方法存在尺寸大、需要强磁场且难以集成的不足，限制了其在现代光学系统中，特别是集成光路中的应用。近年来，无磁场条件下实现光隔离的新原理与新技术成为光学非互易研究的前沿探索方向。此外，许多现有方法依赖于低温环境，增加了系统的复杂性和成本。

本研究通过理论和实验双重验证，展示了简并能级实现光学非互易传输的可能性。研究利用原子在光学腔中的热运动所引发的微观多普勒效应，巧妙地实现了全光控制的非互易传输，这一机制为未来的无磁光学隔离器和非互易光学器件开辟了新的可能性。

该团队设计并实验实现了一种光学非互易性（ONR）方案，此方案利用嵌入光学环形腔中的简并二能级原子。针对铯原子D1线中的简并跃迁，首先研究了不同耦合场配置下的腔传输特性，并验证了在强耦合条件下，由电磁诱导透明（EIT）形成的单暗态峰表现出了非互易性。发现稳定的基态塞曼相干性（Zeeman coherence）对于简并双能级系统中的Λ链参与形成腔内EIT是至关重要的。然而，与三能级原子-腔系统不同，在简并双能级系统中，基于腔内EIT的ONR 效应仅在低探测光强时出现，因为在反向传播的探测光与耦合场配置下，腔-原子耦合强度被削弱。此外，实验上展示了具有高对比度和线宽压窄的ONR传输现象。

探索历程

大二第一学期，在拔尖基地科创项目申报时，我们根据自己的兴趣方向选择周海涛教授作为科研指导教师，初步开展基于原子-腔耦合系统的光学非互易操控科研实践。一开始，我们需要进行大量的前置理论学习和实验系统的搭建，对刚步入科研的我们来说具有极大的挑战性，尤其是在理论模拟和调试实验系统方面。记得有一段时间，因数据处理频频出错，光路调试也屡次失败，实验数据质量不佳，实验进度几乎停滞，但我们并未停下脚步，反而越挫越勇，为此我们常常在夜晚的实验室里反复调试，每一束光路的偏差都让我们重新审视之前的工作。

在熟悉了实验系统后，我们通力合作，投入了一个学期的时间进行实验操作与数据处理。调腔、搭建外部光路，每一步都要有极高的专注和耐心。每当我们解决一个难题，总会迎来新的挑战，理论模型的构建、英文文献中陌生的术语以及复杂的数学公式、论文的撰写等曾一度使我们陷入迷茫。但在导师的悉心指导和帮助下，我们更加明确了研究方法，学会了使用像Zotero这样构建文献库的工具以及运用Notion和OneNote等软件帮我们有条不紊地管理项目的每个细节。同时，导师还鼓励我们保持积极的态度，不断尝试新的方法和思路，正是这种坚定的信念和不懈的努力，使我们最终取得了意想不到的成果。

为了将研究成果整理成论文，我们经历了几个日夜的辛勤工作。然而，一篇论文的完善需要经过严格的审稿和修改。周海涛老师和王丹老师多次对我们的论文进行了仔细的阅读，指出了论文中的不足之处，并帮助我们改进和完善论文的内容和结构。最终，在团队的共同努力下，我们将研究成果投稿至《Nanomaterials》期刊。不久之后，我们收到了审稿人的反馈，并深入思考审稿人的意见，对论文进行了进一步的完善和修改。随后，我们的论文被期刊接受，并且很快就见刊了。这段旅程，虽然艰辛，但充满了收获与成长。

科研感悟

通过为期一年的科研训练，我不仅在实验操作、理论模拟、数据处理和英文论文撰写方面取得了显著的进步，最重要的是，学会了如何面对和解决科研中的各种难题。在一次次实验失败后，学会了从不同的角度去分析问题，找出潜在的原因，再逐步优化。

此外，科研不仅让我在技术上得到了提升，还让我真正领悟到了科学精神的内涵——严谨、专注、求真和创新。在实验过程中，每一个微小的细节都可能影响最终结果，这要求我们必须一丝不苟。在团队合作中，我也学会了如何更好地与他人沟通、协调，共同解决难题。正是这样的科研训练，使我对未来的科研工作充满信心，我坚信，这段经历是我进入未来科研生活一个非常好的开始。

—— 戚传昭 物理学（拔尖计划）01班

真正开始科研训练项目后，我们通过研读相关论文掌握了实验的基本理论，随后，在学姐的指导下我们熟悉了实验室已有的光路并学习了相关实验仪器的使用。接着，我们根据实验目的，对已有的光路进行修改从而正式开始了我们的科研之路。

在老师的指导下我们学到了很多课本以外的知识，并且把这些理论运用到实验中去。通过实际操作，我们对相关理论有了更深刻的认识。在实践过程中，我们根据各自能力以及擅长的地方进行了大致的分工。这种分工合作的方式让我们能够更好地发挥各自的优势，提高整体的效率。同时，这也锻炼了我们的团队协作能力和沟通能力，让我们学会了如何在团队中发挥自己的作用，如何与他人有效地合作。

—— 郑家瑞 物理学（拔尖计划）01班

在本科学习期间，我深深被物理学的魅力所吸引，尤其是光学这一领域。幸运的是，我的学校在光学研究方面具有显著的优势，这为我深入探索提供了良好的平台。大二，我有幸在周海涛老师指导下开展相关研究。整个项目过程中，在相关理论知识的学习、实验中各个环节的实践以及论文的撰写等方面我和我的队友们紧密协作，共同克服了各种困难和挑战，最终系统的完成了科研训练。

这一科研经历不仅让我学会了量子光学领域的相关知识，最重要的是我掌握了完整的科研流程，包括如何查阅文献、开展光学实验、处理数据以及撰写论文。通过这次科研训练，我受益匪浅，并对未来的科研工作充满了信心。

—— 童远航 物理学（拔尖计划）01班

论文链接：Nanomaterials | Free Full-Text | Cavity-Induced Optical Nonreciprocity Based on Degenerate Two-Level Atoms (mdpi.com)

撰稿人：戚传昭 郑家瑞 童远航

二审：张波                             

三审：李鹏