金贤敏团队在光子蜂窝晶格中实现齐纳隧穿的自由调控

　　

近日，上海交通大学物理与天文学院金贤敏团队在材料学国际权威期刊《先进材料》上发表了题为“Inhibition and Reconstruction of Zener Tunneling in Photonic Honeycomb Lattices”[Advanced Materials 34, 2110044 (2022)]的最新研究成果：首次在光子蜂窝晶格中实现了对齐纳隧穿的自由调控，从而保护量子态在人工光子材料中的相干传输。Advanced Materials是材料与物理学顶刊（影响因子32），该文章被精选作本期的卷首封面（Frontispiece）。

在具有周期性的晶格材料中，粒子的相干输运过程由能带结构所决定。复杂材料往往存在相互交错的能带结构，因此能带之间产生的齐纳隧穿很容易破坏量子态的相干输运过程。人工光子材料可以自由地设定格点之间的耦合系数，对材料的能带结构具有灵活的调控能力。研究团队通过调控光子蜂窝晶格中各向异性的耦合系数，对能带之间齐纳隧穿的发生概率进行灵活的调控，从而使量子态恒定位于同一个能带中，保护了光子在大规模人工材料上输运过程的相干性。

左图：卷首封面，右图：光子蜂窝晶格以及能带之间齐纳隧穿的调控

研究团队在光子芯片上构建光子蜂窝晶格，并对格点之间在竖直方向和倾斜方向的耦合系数进行调控。晶格阵列上对波导传播常数的调控可实现等效的外作用力，并驱动量子态在动量空间中定向输运。当竖直方向和倾斜方向的耦合系数相等时，具有高斯分布的波包在狄拉克点附近发生不完全的齐纳隧穿。当竖直方向耦合系数较大时，齐纳隧穿发生概率变为0；当倾斜方向耦合系数较大时，量子态发生几乎完全的齐纳隧穿。

动量空间中能带之间的齐纳隧穿以及量子态的振荡传输，详见论文

在实验中，高斯光束在集成了三种参数晶格阵列的光子芯片上进行动态的传输。齐纳隧穿的消失使量子态在色散较小的能带上保持局域地传输。不完全的齐纳隧穿使得量子态在传输过程中发生劈裂，相干性受到了较大的破坏。对齐纳隧穿的重建诱导量子态在晶格的二维截面上发生了完美的布洛赫振荡，这样的相干振荡有望在大规模材料中实现量子态的定向输运。

基于对飞秒激光直写技术的精准操控能力，人工光子材料可以灵活地实现特定的能带结构，并且将量子态的相干输运过程与能带特征直接关联起来，为进一步研究动量空间的拓扑几何属性以及应用到量子信息处理提供了可靠途径。

研究团队感谢上海市科委重大项目和国家自然科学基金重点项目的雪中送炭，感谢国家重点研发计划、上海市教委的大力支持。上海交通大学物理与天文学院集成量子信息技术研究中心博士生常义军为论文第一作者，金贤敏教授为论文通讯作者。

论文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202110044

作者：

叶丹

供稿单位：

物理与天文学院