透明和不透明是最為常見的光與物質相互作用的現象。不透明現象源於物質媒介對光的吸收、散射等等。小到擁有幾個能級的原子，大到運轉於浩瀚宇宙的星體，都對特定性質（如頻率、偏振）的光有較強的吸收效應。
電磁誘導透明，即EIT（electromagnetically induced transparency），能夠利用外加相干光場來誘導原子系統的相消干涉來抵消媒介對某種光的吸收，使得本來不透明的材料從不透明變為透明。根據量子力學原理，原子中的電子能量高低的狀態被量子化為許多能級，一束頻率剛好與兩個能級（|1⟩和|2⟩）間距匹配的光能夠激發電子躍遷（如圖1a），而光則被材料所吸收（如圖1b）。因而對於該頻率的光，原子系統是不透明的。為了使這個頻率的光變得透明，我們需要利用一個額外的低能級|3⟩（如圖1c），用一束很強的相干光引起電子在它與高能級之間發生來回躍遷，持續的相干光輸入能夠保持能級間的能量交換，使兩個能級產生耦合，此時這個較高能級就無法參與和原來那個低能級的耦合了，原本可以被吸收的光此時將不被吸收，材料對該頻率光變得透明(如圖1d)。EIT的一個直接效果便是產生慢光，即減慢光的群速度。這是源於EIT對材料色散關係的影響，由於只對特定頻率的光透明，色散曲線將在其附近變得陡峭，從而帶來光的群速度的減慢。由於一般情況下光的傳播速度極快，比如真空中光速是30萬km/s，人們在試圖利用光進行計算或者通訊的過程中，很難長時間儲存光資訊。但基於EIT的慢光效應能夠大大降低光脈衝的速度，從而能夠贏得相當長的時間來完成大量的資訊處理工作。這對於基於光子的量子計算和量子通訊有著重要意義。
圖1. a, 二能級原子與探測光的相互作用示意圖。b, 探測光的透射譜在中心頻率ωp附近呈現吸收谷。c, 電磁誘導透明（EIT）基本原理示意圖。d, EIT發生時探測光的透射譜在中心頻率ωp附近呈現透明峰。
除了原子系統，我們也可以用經典系統比如波導、光學微腔、電學諧振腔等來構建三個能級實現EIT。經典系統中的EIT可以更為簡單地理解為波的干涉，比如在兩個耦合的光學諧振腔中，光學模式的耦合也會導致光的相消干涉，從而使得諧振腔中的光場大大減弱，使更多的光子發生透射。經典光學平臺實現的EIT有幾大優勢，比如室溫下可實現、整合度高、可調自由度多等。但一般EIT的調控需要連續改變引數，如溫度、耦合強度等等，以便對光資訊實現儲存、讀取等操作。在本篇文章中，作者提出了一種調控EIT的新機制，即利用光學微腔的狀態實現EIT的開關控制。我們知道在電子計算機中，資訊的傳遞、處理、儲存是基於數字訊號0或者1，我們稱之為位元。利用數字邏輯電路，可以讓一個位元控制另外的位元，實現邏輯運算或操作。這類邏輯系統對環境微擾不敏感，具有較好的魯棒性。在量子計算中，位元基於量子態，可以為0或1的疊加態。而量子邏輯操作可通過一個量子態控制另外的量子態來實現。藉助這類思想，亦可以利用態來操控EIT。本文作者在一個雙腔通過波導耦合的系統中，利用非厄米系統在奇異點的手性本徵態來操控EIT的開啟和關閉。
在量子力學中，封閉系統可用厄米哈密頓量來描述。對於絕大多數與環境相互作用的系統來說，哈密頓量不滿足厄米性質，因此我們稱之為非厄米系統。其引數空間有一類點，使得系統本徵值和本徵態均實現簡併，被稱為奇異點，本徵態不僅是簡併的，而且對應一種特定的手性，正1或者負1，因而可根據手性將奇異點分為兩種。本文實現奇異點的平臺是迴音壁光學諧振腔。基於天壇等建築物中的迴音壁現象，環形的光學微腔使得光在內壁發生全反射束縛在腔內形成迴音壁模式。利用兩個奈米顆粒在迴音壁模式中產生的反射和損耗，可以將微腔調製到奇異點。此時其本徵模式是一種手性模式，手性為1對應順時針的本徵模式，手性為-1對應逆時針的本徵模式。奇異點的手性模式伴隨著非對稱反射的產生，例如，當系統的手性為1時，逆時針的光可以被反射為順時針，而順時針不能被反射為逆時針。
圖2. 實驗系統示意圖。兩個微型迴音壁腔與同一波導耦合。奈米粒子引起微腔中光的反射。利用光纖錐對光的反射可調節微腔中的本徵光學模式。
在實驗中（如圖2），作者採用一個較高品質因子的微型環芯腔（左）和一個較低品質因子的微盤（右），將其耦合到同一根光纖錐波導上。如果微腔是理想的，每個微腔支援順時針和逆時針兩種頻率完全形同的光學模式。實際微腔表面存在塵埃和粗糙，會引起光的反射和損耗，順時針和逆時針兩種模式之間存在耦合，簡併性被打破，從而引起了模式劈裂。我們可以將塵埃、粗糙引起的微擾建模為單個奈米粒子。在高品質因子的迴音壁微腔中，這類劈裂非常明顯，常被用來作為探測奈米粒子的訊號。而本工作則巧妙利用了微擾引起的反射，使得腔內的順時針和逆時針的光學模式能夠耦合，通過連線兩個微腔的波導使得光能夠在兩個微腔之間來回傳播，由此形成了雙腔的環路干涉。
通過調整兩個腔的距離可以控制光在兩腔間傳播的相位，從而實現相消干涉，構成了EIT的基本模型。此時每個腔內由於模式劈裂都有兩個能級，透明峰也出現劈裂。作者通過外加的一個光纖錐將較高品質的微型環芯腔調製到奇異點，此時本徵態只有一個，其手性發揮作用。當手性為-1時（如圖3a），較高品質微腔中的順時針模式可以耦合到逆時針模式，但逆時針模式不能耦合到順時針模式，環路中斷，干涉消失，EIT關閉，透射譜上展現為單吸收谷（如圖3b）。而當手性為1時（如圖3c），較高品質微腔中的光不能從順時針方向反射到逆時針方向，但可以從逆時針方向反射到順時針方向，因此係統中存在環路干涉，而奇異點的簡併性使得透射譜呈現單個透明峰（如圖3d），此時EIT開啟；由此，通過一個光纖錐將較高品質微腔調製到手性不同的奇異點，實現不同手性的本徵態，可以控制EIT的開啟和關閉。
該工作所展現的物理機制為EIT的調控提供了新的渠道，有望推進基於光子的量子計算和量子通訊的發展。基於光學系統本徵態的調控機制有望應用於更多其他物理系統。
圖3. a, EP- 情況下環路示意圖。EP- 對應手性為-1的本正態，逆時針光場不能耦合進入順時針光場，環路干涉消失。b, EP- 情況下EIT關閉，透射譜呈現單吸收谷。c，EP+情況下環路示意圖。EP+對應手性為1的本徵態，逆時針光場可以耦合進入順時針光場，環路干涉形成。d, EP+情況下EIT開啟，透射譜呈現單透明峰。
論文以“Electromagnetically induced transparency at a chiral exceptional point”為題發表在Nature Physics 上，該項工作由美國聖路易斯華盛頓大學、耶魯大學，芝加哥大學，南加州大學等單位共同完成。該文章的共同第一作者是聖路易斯華盛頓大學電子和系統工程系博士研究生王昌青，博士後姜雪峰。通訊作者為楊蘭教授。
作者簡介：
楊蘭教授是美國聖路易斯華盛頓大學電子和系統工程系Edwin H. & Florence G. Skinner 教授，美國光學學會會士，曾獲得美國自然科學基金會CAREER獎、美國總統青年科學家獎等獎項。其帶領的微納光子學實驗室近年來在微納粒子探測、非厄米光學、光機械等領域取得了一系列重要進展，有關成果發表在《自然》，《科學》，《自然-光子學》，《自然-物理學》，《自然-奈米科技》，《自然通訊》，《美國國家科學院院刊》等期刊。