Non-reciprocal Cavity Polariton with Atoms Strongly Coupled to Optical Cavity

极化子 物理 光子 腔量子电动力学 Atom(片上系统) 准粒子 T对称 量子 互惠的 光学腔 凝聚态物理 量子力学 开放量子系统 激光器 语言学 哲学 超导电性 计算机科学 嵌入式系统
作者
Pengfei Yang,Ming Li,Xing Han,Hai He,Gang Li,Chang‐Ling Zou,Pengfei Zhang,Yuhua Qian,Tiancai Zhang
出处
期刊:Cornell University - arXiv [Cornell University]
被引量:9
标识
DOI:10.48550/arxiv.1911.10300
摘要

Breaking the time-reversal symmetry of light is of great importance for fundamental physics and has attracted increasing interest in the study of non-reciprocal photonic devices. Here, we experimentally demonstrate a chiral cavity QED system with multiple atoms strongly coupled to a Fabry-Perot cavity. By polarizing the internal quantum state of the atoms, the time-reversal symmetry of the atom-cavity interaction is broken. The strongly coupled atom-cavity system can be described by non-reciprocal quasiparticles, i.e., the cavity polariton. When it works in the linear regime, the inherent nonreciprocity makes the system work as a single-photon-level optical isolator. Benefiting from the collective enhancement of multiple atoms, an isolation ratio exceeding 30~dB on the single-quanta level (~0.1 photon on average) is achieved. The validity of the non-reciprocal device under zero magnetic field and the reconfigurability of the isolation direction are also experimentally demonstrated. Moreover, when the cavity polariton works in the nonlinear regime, the quantum interference between polaritons with weak anharmonicity induces non-reciprocal nonclassical statistics of cavity transmission from coherent probe light.

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