NO.6473
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圖片來自網易
圖1
該項工作用一對玻璃製成的耦合的迴音壁模式的微型環芯腔實現聲子激光。其中“迴音壁”一詞源於北京天壇的一個著名建築物。這一建築是直徑60米左右的一個圓形圍牆，當人面朝圍牆說話時，聲音會沿圍牆外壁傳播，並被共振放大，在圍牆另一側的人就可以聽到說話聲。迴音壁模式光學腔是“迴音壁”的光學版本，通常由玻璃等透光材料做成圓形結構，當光線進入時由於全反射會沿著光學腔的邊緣傳播並共振增強，因此可以長時間地被束縛在腔裡。實驗中，兩個迴音壁模式的微型環芯腔相互靠近（參見圖2a），各自的光場會有部分洩露出微腔而進入另一個微腔，從而使得兩個微腔中的光學模式相互耦合形成光學超模，其中一個迴音壁模式微腔因為光場引起的光機械效應發生振動，振動模式與光學超模互相交換能量形成聲子激光。
圖2
研究人員在實驗中用表面鍍有金屬鉻的針尖靠近其中一個迴音壁模式微腔（參見圖2b），由於金屬鉻在實驗所用的1550nm光學波段光場具有很強的光吸收，因此通過調節鍍鉻針尖與迴音壁模式微腔的距離，可以在較大範圍內調節迴音壁模式微腔的光耗散率。實驗中用到的耦合光機械微腔存在一個特殊的相變點，稱為奇異點（Exceptional point），通過利用鍍鉻針尖對迴音壁模式微腔光耗散率的大範圍調節，可以使得系統穿過此奇異點。此類含奇異點的系統在近年來引起了研究人員的廣泛關注，奇異點的特殊物理性質在光學波導、光學微腔、光子晶體、微波電路、耦合機械振子、腔量子電動系統、二維自旋系統等不同物理平臺上已經得以實驗驗證，併成功應用於構造光子聲子二極管、調控微納光器件中的光吸收與輻射、構造微納傳感器等。
由於實驗用到的耦合光機械系統在奇異點附近會出現很多新奇的物理效應如光機械耦合的有效增強、光機械非線性的增強、以及系統拓撲性質的變化，當研究人員在奇異點附近調控聲子激光時，在實驗上觀測到一系列新奇的物理特性。首先，在奇異點附近觀測到了聲子激光閾值的突然降低。在實驗中，當輸入微腔中的光場的功率達到一定的閾值時，才能看到輸出聲學場的相干行為，即進入聲子激光區，具體表現為聲學場輸出功率的突然提高，以及輸出聲學場線寬的突然變窄。從物理上講，這是為了保證輸入能量足夠強使得作為增益介質的光學超模可以實現粒子數反轉。這一閾值即為聲子激光的閾值。通常，聲子激光的閾值是較高的，這限制了聲子激光的應用。研究人員在實驗中發現在奇異點附近調節聲子激光時，可以有效將聲子激光的閾值降低兩個數量級以上，這為聲子激光在微弱信號處理、乃至在量子器件方面的應用提供了新思路。
其次，在奇異點附近看到了聲子激光線寬的大範圍變化，這使得我們在奇異點附近可以構造線寬大範圍可調的相干聲學信號探測器。這一特性在微納傳感領域將至關重要。事實上，將聲子激光用於傳感的一個主要需要解決的問題是聲子激光的可調諧性，以使得聲子激光作為相干聲學信號探測器可以與被測對象有較好的響應。以超聲探測為例，通常待探測的超聲源帶寬較寬且所屬的頻帶不確定，需要探測器響應帶寬在較大範圍內可調，我們所實現的可調聲子激光為超聲信號的探測提供了可能。
該項工作由美國聖路易斯華盛頓大學、清華大學、維也納技術大學、日本理化學研究所等單位共同完成。該文章的通訊作者為楊蘭教授。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-納米科技》，《自然通訊》，《美國國家科學院院刊》等期刊。
楊蘭，洪江區人，曾就讀於洪江區幸福路小學。
1992年7月於洪江一中高中畢業，同年考取中國科技大學“少年班”。
1999年獲中國科技大學“固體物理”碩士學位，隨後考入美國加州理工學院深造。
2005年獲得博士學位。
2007年在位於美國聖路易斯的華盛頓大學任教，創建了華盛頓大學工程學院微納米光電子學實驗室。
2009年，楊蘭教授的《單個納米粒子的檢測和尺寸測量》刊登於《自然光子學》雜誌。
2010年獲得美國青年科學家總統獎。
2011年，她的科學論文《微小激光環可探測納米粒子》刊登於《自然納米科技》雜誌。
2014年她關於用非傳統的損耗機制來增強激光信號的科學論文刊登於國際學術界享有盛譽的綜合性科學期刊《科學》（SCIENCE)。
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