2023年5月3日，《Science Advances》在线发表了陆培祥教授带领的“强场超快光学”创新研究群体在弗洛凯朗道-齐纳隧穿和时域分束器方面取得的最新研究成果，文章标题为“Photonic Floquet Landau-Zener tunneling and temporal beam splitters”。

朗道-齐纳隧穿是一种基本的量子现象，描述的是一个多能级系统在外加强场驱动下不再满足绝热定理，发生能级间的量子隧穿。作为一种普遍存在的物理效应，朗道-齐纳隧穿已在多种体系中被发现和研究，如固体晶格、光势阱和光子晶格等。例如，固体晶格中的电子在外加强电场驱动下会隧穿到其他能带，这将使得布洛赫振荡的幅值出现衰减。在光学体系中，双周期波导阵列具有两条布洛赫能带，利用波导的弯曲可以为光子构造等效直流电场，从而引起能带间的隧穿。当采用有限宽度的波包入射时，属于不同能带的波包在隧穿后具有不同的群速度，从而会发生演化路径的分离，该现象在光分束器领域有重要应用。然而，在以往的工作中，人们大多关注静态系统中的朗道-齐纳隧穿，隧穿只能发生在有限个能带之间。此外，等效交变电场下的隧穿过程还有待进一步深入探究。

图1. (a) 时域光子晶格和等效电场构造原理示意图。(b)-(c) 直流和交变电场驱动下的波包演化实验结果图。白色虚线为未隧穿波包的演化轨迹。

最近，王兵、陆培祥课题组基于双光纤环路构造了具有周期分布弗洛凯能带的时域光子晶格，并借助环路中的相位调制在晶格中构造了等效电场，从而成功观测了光学弗洛凯朗道-齐纳隧穿效应，还将朗道-齐纳隧穿由直流驱动推广到了交变驱动情形。如图1所示，研究团队在双光纤环路实验系统中分别引入了随圈数线性和正弦变化的相位调制，从而在对应的时域光子晶格中构造了等效直流和交变电场。通过选取分光比较小的耦合器连结两环路，他们大大减小了时域晶格的能带带隙，从而破坏了系统的绝热条件、实现了弗洛凯朗道-齐纳隧穿效应。在直流电场驱动下，波包的隧穿位置呈现均匀分布，且每次隧穿的几率相同。由于布洛赫-齐纳振荡效应的存在，波包在隧穿过程中容易出现能量聚集的现象。而在交变电场驱动下，隧穿的位置和几率都是非均匀的，且隧穿后波包的定向输运可避免能量聚集。通过提高交变电场的幅值，不仅能够增加单个周期内的隧穿次数，也可以提高每次隧穿的几率。此外，研究团队还发现交变电场下的朗道-齐纳隧穿效应具有阈值性，这是直流情形所不具备的特征。而后，陆培祥教授等人将直流和交变电场相结合，提出了构造光分束器的新机制，使得人们能够在维持波包轨迹的前提下全范围地调控波包分束比例。如图2所示，他们将以上分束器级联，还演示了一个四比特的光编码器，并实现了从0001到1111的实时编码。该研究为光脉冲调控提供了新思路，在可调分束器和编码器领域具有重要的应用前景。

图2. (a) 时域编码器示意图。(b)-(c) 编码序列0001和0111对应的光脉冲强度演化实验结果图。(d) 不同编码序列对应的光脉冲输出结果。

武汉光电国家研究中心博士后王书林为论文第一作者，物理学院青年教师秦承志副教授、意大利米兰理工大学Stefano Longhi教授、陆培祥教授和王兵教授为论文共同通讯作者。该项研究工作得到了国家自然科学基金项目和创新研究群体项目的资助。

论文链接: https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adh0415