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，其结果“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配合通讯作者。

 戚傳昭等同學依托拔尖基地科創項目“基于原子-腔耦合系統的光學非互易操控的實驗研究”，開展了原子腔耦合系統中常溫條件下的光學非互易傳輸。研究了在簡並二能級中，環形光學腔中原子的隨機熱運動引發的微觀多普勒頻移，並通過理論模擬和實驗驗證，探究了簡並能級下全光控制的光學非互易傳輸特性與實現光隔離的可行性。在山西大學第一屆“物理學國際暑期學校暨本科生學術活動周”舉辦期間，該小組的學術報告及學術牆報，經校內外專家、拔尖學生評選，獲得“最佳牆報獎”。今年5月份，在大學生創新創業訓練項目的結題答辯評審中被評爲“優秀”等級。

論文介紹

 光學非互易傳輸是光隔離器的物理基礎，光隔離器在光學系統中能夠防止信號反向傳播，保障系統穩定性和性能。傳統光隔離器的實現依賴于法拉第旋光效應，需要在磁光介質中施加強磁場以改變其中傳輸光的偏振偏向。然而，傳統要领存在尺寸大、需要強磁場且難以集成的不足，限制了其在現代光學系統中，特別是集成光路中的應用。近年來，無磁場條件下實現光隔離的新原理與新技術成爲光學非互易研究的前沿探索偏向。此外，許多現有要领依賴于低溫環境，增加了系統的複雜性和成本。

 本研究通過理論和實驗雙重驗證，展示了簡並能級實現光學非互易傳輸的可能性。研究利用原子在光學腔中的熱運動所引發的微觀多普勒效應，巧妙地實現了全光控制的非互易傳輸，這一機制爲未來的無磁光學隔離器和非互易光學器件開辟了新的可能性。

 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，首先研究了差异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）形成的单暗态峰体现出了非互易性。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链加入形成腔内EIT是至关重要的。然而，与三能级原子-腔系统差异，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泛起，因为在反向流传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。

探索曆程

 大二第一學期，在拔尖基地科創項目申報時，我們根據自己的興趣偏向選擇周海濤教授作爲科研指導教師，开端開展基于原子-腔耦合系統的光學非互易操控科研實踐。一開始，我們需要進行大量的前置理論學習和實驗系統的搭建，對剛步入科研的我們來說具有極大的挑戰性，尤其是在理論模擬和調試實驗系統方面。記得有一段時間，因數據處理頻頻出錯，光路調試也屢次失敗，實驗數據質量不佳，實驗進度幾乎停滯，但我們並未停下腳步，反而越挫越勇，爲此我們经常在夜晚的實驗室裏反複調試，每一束光路的偏差都讓我們重新審視之前的事情。

 在熟悉了實驗系統後，我們通力相助，投入了一個學期的時間進行實驗操作與數據處理。調腔、搭建外部光路，每一步都要有極高的專注和耐心。每當我們解決一個難題，總會迎來新的挑戰，理論模型的構建、英文文獻中陌生的術語以及複雜的數學公式、論文的撰寫等曾一度使我們陷入迷茫。但在導師的悉心指導和幫助下，我們越发明確了研究要领，學會了使用像Zotero這樣構建文獻庫的工具以及運用Notion和OneNote等軟件幫我們有條不紊地治理項目的每個細節。同時，導師還鼓勵我們保持積極的態度，不斷嘗試新的要领和思路，正是這種堅定的信念和不懈的努力，使我們最終取得了意想不到的结果。

 爲了將研究结果整理成論文，我們經曆了幾個日夜的辛勤事情。然而，一篇論文的完善需要經過嚴格的審稿和修改。周海濤老師和王丹老師多次對我們的論文進行了仔細的閱讀，指出了論文中的不足之處，並幫助我們改進和完善論文的內容和結構。最終，在團隊的配合努力下，我們將研究结果投稿至《Nanomaterials》期刊。不久之後，我們收到了審稿人的反饋，並深入思考審稿人的意見，對論文進行了進一步的完善和修改。隨後，我們的論文被期刊接受，並且很快就見刊了。這段旅程，雖然艱辛，但充滿了收獲與成長。

科研感悟

通過爲期一年的科研訓練，我不僅在實驗操作、理論模擬、數據處理和英文論文撰寫方面取得了顯著的進步，最重要的是，學會了如何面對息争決科研中的各種難題。在一次次實驗失敗後，學會了從差异的角度去分析問題，找出潛在的原因，再逐步優化。

此外，科研不僅讓我在技術上获得了提升，還讓我真正領悟到了科學精神的內涵——嚴謹、專注、求真和創新。在實驗過程中，每一個微小的細節都可能影響最終結果，這要求我們必須一絲不苟。在團隊相助中，我也學會了如何更好地與他人溝通、協調，配合解決難題。正是這樣的科研訓練，使我對未來的科研事情充滿信心，我堅信，這段經曆是我進入未來科研生活一個很是好的開始。

—— 戚传昭 物理學（拔尖計劃）01班

真正開始科研訓練項目後，我們通過研讀相關論文掌握了實驗的基本理論，隨後，在學姐的指導下我們熟悉了實驗室已有的光路並學習了相關實驗儀器的使用。接著，我們根據實驗目的，對已有的光路進行修改從而正式開始了我們的科研之路。

在老師的指導下我們學到了许多課本以外的知識，並且把這些理論運用到實驗中去。通過實際操作，我們對相關理論有了更深刻的認識。在實踐過程中，我們根據各自能力以及擅長的地方進行了大致的分工。這種分工相助的方式讓我們能夠更好地發揮各自的優勢，提高整體的效率。同時，這也鍛煉了我們的團隊協作能力和溝通能力，讓我們學會了如何在團隊中發揮自己的作用，如何與他人有效地相助。

—— 郑家瑞 物理學（拔尖計劃）01班

在本科學習期間，我深深被物理學的魅力所吸引，尤其是光學這一領域。幸運的是，我的學校在光學研究方面具有顯著的優勢，這爲我深入探索提供了良好的平台。大二，我有幸在周海濤老師指導下開展相關研究。整個項目過程中，在相關理論知識的學習、實驗中各個環節的實踐以及論文的撰寫等方面我和我的隊友們緊密協作，配合克服了各種困難和挑戰，最終系統的完成了科研訓練。

這一科研經曆不僅讓我學會了量子光學領域的相關知識，最重要的是我掌握了完整的科研流程，包罗如何查閱文獻、開展光學實驗、處理數據以及撰寫論文。通過這次科研訓練，我受益匪淺，並對未來的科研事情充滿了信心。

—— 童远航 物理學（拔尖計劃）01班

論文鏈接：Nanomaterials | Free Full-Text | Cavity-Induced Optical Nonreciprocity Based on Degenerate Two-Level Atoms (mdpi.com)

責編：劉絲雨

二审：张   波

三审：李   鹏