近日，中國科大郭光燦院士團(tuán)隊李傳鋒、唐建順等人在基于薄膜鈮酸鋰光芯片的頻率合成維度研究中，提出將模擬的格點(diǎn)限制在一個腔模內(nèi)的新方法并進(jìn)行了實驗驗證，極大地降低了片上頻率合成維度的頻率要求。該成果12月5日發(fā)表在國際知名期刊《物理評論快報》上。

以光為載體的頻率合成維度是近年來興起的一種模擬手段，用于研究不易直接接觸或觀測的物理系統(tǒng)，對驗證理論乃至預(yù)測物理現(xiàn)象具有重要意義。在許多工作中，研究者用含電光調(diào)制器的光纖環(huán)腔實現(xiàn)頻率合成維度，其中以間隔為自由光譜范圍（FSR）的模式作為格點(diǎn)，用電光相位調(diào)制引入格點(diǎn)之間的相互作用，其調(diào)制頻率通常為FSR的整數(shù)倍。同時，薄膜鈮酸鋰芯片有高電光系數(shù)的天然條件，以及高穩(wěn)定性和強(qiáng)可擴(kuò)展性的優(yōu)勢，非常適合作為頻率合成維度的平臺。然而，光芯片上的腔長短，F(xiàn)SR大，導(dǎo)致以前的方法所需的調(diào)制頻率很高（10GHz或更高），對片上的調(diào)制效率以及配套的設(shè)備都提出非常高的要求。特別是存在長程耦合時，所需的頻率將進(jìn)一步翻倍，極大地阻礙了片上頻率合成維度的發(fā)展。

在本工作中，研究組為了緩解這一困難，提出可以通過使用遠(yuǎn)小于一個腔模寬度的調(diào)制頻率（MHz量級），去選出一系列限制在腔模之內(nèi)的頻率作為格點(diǎn)形成合成維度。在合理的近似下，研究組實驗驗證了這種方法與傳統(tǒng)的實現(xiàn)方法得到的準(zhǔn)動量空間的能帶完全吻合。實驗結(jié)果表明，在存在8倍和9倍于頻率晶格常數(shù)的長程耦合時，該方法將實驗的頻率要求降低了5個數(shù)量級以上。

實驗示意圖及能帶結(jié)果圖。上方表示準(zhǔn)動量空間能帶測量實驗示意圖；插圖表示模擬中鏈狀結(jié)構(gòu)的格點(diǎn)分布，所有的格點(diǎn)都被限制在一個共振峰內(nèi)；下方左圖表示包含長程耦合的管狀結(jié)構(gòu)示意圖；右圖表示實驗測得的包含兩種耦合長度的模型的能帶圖，其中r為兩種耦合的長度比，Φ表示光學(xué)規(guī)范勢。

本工作在極大地緩解高頻對片上合成維度帶來的困難的同時，也保持了傳統(tǒng)實現(xiàn)方法的拓展性，能夠推廣應(yīng)用至更高維的模型中，在薄膜鈮酸鋰光芯片上實現(xiàn)高維和復(fù)雜的頻率合成維度。審稿人高度評價該成果“opens a new avenue within the area of studying synthetic dimensions on photonic chips（為研究光芯片上的合成維度開辟了一條新途徑）”。

中國科學(xué)院量子信息重點(diǎn)實驗室博士生汪兆安、曾曉東、特任副研究員王軼韜為論文的共同第一作者。該工作得到了合肥國家實驗室、國家自然科學(xué)基金委、中國科學(xué)院、安徽省和中國博士后基金的資助。

論文鏈接：https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.133.233805