中国科大郭光灿院士团队联合山西大学张天才团队在光学非互易领域取得重大突破。该团队提出了一种全新的光学非互易机制——非线性非互易（nonlinear non-reciprocity, NLNR），并基于此机制在实验中实现了高达60db隔离比的无磁隔离器，创造了新的记录。该研究成果以“Self-induced optical non-reciprocity”为题发表在《光科学与应用》（Light：Science & Applications）上。

图1：互易与非互易介质原理示意图

类比于光学介质折射率的非线性响应，非线性非互易指的是介质的非互易性与施加在介质上的光场强度相关。自诱导非互易是非线性非互易的一种特殊形式：较强的正向信号光在传播过程中改变介质特性，使其仅允许正向光通过而阻挡反向光。如图1所示，区别于互易介质（图1a）和非线性频率转换介质（图1b），非线性非互易介质（图1c、d）无需额外功率输入即可实现方向可重构的光学非互易。

图2：非互易隔离实验结果图，（a）隔离比测量装置示意图，（b）反向光透过率与偏振的关系图，以及噪声来源分析，（c）隔离比谱线

基于自诱导非互易原理，团队在原子系综介质中实现的隔离器具有63.4 dB的隔离比（如图2c所示），创造了当前世界上无磁非互易的最高记录。同时，该隔离器在12.5 GHz的带宽内实现了超过20 dB的隔离效果，带宽比以往同样基于原子系综的隔离器高出一个数量级。此外，自诱导非互易还展现出在高消光比圆偏振纯化器中的应用潜力，能够产生纯度超过60 dB的圆偏振光，并对入射光偏振状态具有较强的鲁棒性。

值得注意的是，上述自诱导非互易隔离器虽然突破性地实现了高性能无磁隔离，但仍需正向光存在才能阻断反向光。为此，研究团队进一步将自诱导非互易介质置于非对称腔中。这一改进使得即使在没有正向光的情况下，只要反向光强度低于特定阈值，就无法穿过隔离器。由于该阈值远高于实际应用中的典型反射光强度，这一设计实际上实现了无磁无源理想隔离器。

综上，本研究通过实验验证了一种实现高性能非互易光子器件的新路径。这一突破不仅能够应用于多种物理系统以实现紫外、中红外以及太赫兹电磁波的隔离，同时也为非线性动力学和非互易性物理的深入研究提供了新范式。

中国科大博士后王竹博与副教授张延磊是本文的共同第一作者，邹长铃教授、董春华教授与山西大学李刚教授、张鹏飞教授是论文的共同通讯作者。该成果得到了国家重点研发计划项目、国家自然科学基金、安徽省自然科学基金、中央高校基本科研业务费专项资金以及中国科学技术大学的资助。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41377-024-01692-y

（中国科学院量子信息重点实验室、物理学院、中国科学院量子信息和量子科技创新研究院、科研部）