Pålitlig manipulation av ljusets hastighet genom objekt kan ha värdefulla konsekvenser för utvecklingen av olika avancerade tekniker, inklusive höghastighetskommunikationssystem och kvantinformationsbehandlingsenheter. Konventionella metoder för att manipulera ljusets hastighet, såsom tekniker som utnyttjar så kallade elektromagnetiskt inducerade transparenseffekter (EIT), fungerar genom att utnyttja kvantinterferenseffekter i ett medium, vilket kan göra det transparent för ljusstrålar och sänka ljusets hastighet genom det.
Trots sina fördelar möjliggör dessa tekniker endast ömsesidig kontroll av grupphastigheten (dvs. den hastighet med vilken ett vågpaket färdas genom ett medium), vilket innebär att en ljusstråle kommer att bete sig på samma sätt oavsett i vilken riktning den färdas när den passerar genom en anordning. Men icke-ömsesidig kontroll av ljusets hastighet kan vara lika värdefull, särskilt för utvecklingen av avancerade anordningar som kan dra nytta av att signaler färdas i önskade riktningar med önskad hastighet.
Forskare vid University of Manitoba i Kanada och Lanzhou University i Kina har nyligen demonstrerat icke-reciprok kontroll av ljusets hastighet med hjälp av en kavitetsmagnonik-enhet, ett system som kopplar samman mikrovågsfotoner (dvs. kvanta av mikrovågsljus) med magnoner (dvs. kvanta av elektronernas spinnoscillationer i material).
De magnonikbaserade metoder som de använde, som beskrivs i en artikel publicerad i Physical Review Letters, kan bidra till utvecklingen av mikrovågssignalkommunikation, neuromorfisk databehandling och kvantkretsar.
”Under 2019 demonstrerade min grupp en ny metod för att producera dissipativ koppling i hybridkavitetmagnoniksystem”, berättade Can-Ming Hu, chef för den dynamiska spintronikgruppen vid University of Manitoba, för Phys.org.
”Vår teknik, som presenteras i en artikel publicerad i Physical Review Letters, möjliggör icke-reciprok signalöverföring med en betydande isoleringsgrad och flexibel styrbarhet.”
Som en del av sitt tidigare arbete försökte Hu och hans kollegor specifikt manipulera amplituden av ljus (dvs. den maximala styrkan hos en ljusvågs elektriska eller magnetiska fält) som färdas i endast en riktning. Men ljus har också en annan grundläggande egenskap, känd som fas, som i huvudsak är hur ”långt” en ljusvåg är i förhållande till en specifik referenspunkt.
”Fasmanipulation har också breda implikationer, eftersom den bestämmer hastigheten på pulser som transporterar information mellan olika system”, säger Hu. ”Det primära målet med denna nya studie var att besvara följande fråga: skulle naturen tillåta oss att icke-reciprokt manipulera ljusets fas samtidigt som vi bibehåller en jämförbar överföringsamplitud i båda riktningarna?
Det finns en grundläggande princip som kallas Kramers-Kronig-relationerna som verkar förbjuda detta, men överraskande nog visar vårt experiment att naturen är ovanligt generös mot oss i detta avseende.”
Ett viktigt mål med försök att sänka ljusets hastighet är att avsevärt förändra ljusimpulserna utan att kompromissa med deras överföringseffektivitet. Detta uppnås vanligtvis genom interferenseffekter i hybridiserade resonanssystem, kända som en klassisk analog till EIT-effekter i kvantregimer.
”I vårt arbete konstruerar vi ett sådant hybridsystem med hjälp av fotonläget i en dielektrisk resonator och magnonläget i en magnetisk yttriumjärngranat (YIG)-sfär”, förklarar Jiguang Yao, senior doktorand och försteförfattare till artikeln.
”Utöver konventionella resonatorer har de magnetiska materialen en inneboende chiralitet – deras spinn precesserar i en fast riktning som bestäms av det applicerade magnetfältet. Denna chiralitet kan utnyttjas för att inducera icke-reciprocitet, vilket möjliggörs av en ytterligare dissipativ koppling som introduceras via en gemensam mikrostrip. Som ett resultat uppnådde vi ett icke-reciprokt och kontrollerbart ljusutbredningssystem.”
För att demonstrera potentialen i deras föreslagna metod skickade forskarna en mikrovågsimpuls i det kopplade magnoniksystemet som de utvecklat från två riktningar. När de jämförde hastigheten hos denna impuls med en referensbana fann de att deras metod möjliggjorde slående fördröjnings- och förskjutningseffekter – icke-reciprokt.
”Ljus- och mikrovågsimpulser fungerar som bärare av information inom olika områden, från signalkommunikation till neuromorfisk databehandling och kvantsignalbehandling”, säger Jerry Lu, junior doktorand och medförfattare till artikeln.
”Tidigare försök att kontrollera elektromagnetiska vågor på ett icke-reciprokt sätt har främst fokuserat på riktad amplitudmanipulation, vilket möjliggör överföring i endast en riktning. Detta koncept ligger till grund för viktiga komponenter i kommunikationssystem, såsom isolatorer och cirkulatorer. Vår studie visade för första gången att ljus kan fortplanta sig i båda riktningarna, men med olika hastigheter.”
Teamets lovande nya metod för icke-reciprok kontroll av ljusets hastighet kan snart möjliggöra utvecklingen av olika banbrytande och tidigare otänkbara tekniker. Under tiden arbetar Hu och hans forskargrupp med att ytterligare förbättra sin metodik, i hopp om att förbättra fördröjningen och de avancerade effekter den ger.
”Även om den effekt som vi har visat i vårt arbete är spännande, är den tidsfördröjning/förskjutning som vi har uppnått hittills relativt blygsam”, tillägger Hu.
”Det är viktigt att förbättra denna effekt för att möjliggöra praktiska tillämpningar. Som ett första steg planerar vi att införa några nya tekniker i vår anordning för att förbättra effekten. På längre sikt avser vi att utforska ett bredare spektrum av tillämpningsscenarier.”
Mer information: Jiguang Yao et al, Nonreciprocal Control of the Speed of Light Using Cavity Magnonics, Physical Review Letters (2025). DOI: 10.1103/PhysRevLett.134.196904.
