圣路易斯华盛顿大学的研究人员已经找到了一种按照他们的指令提供光子或光包的方法。
研究人员利用一种光域的慷慨的能量状态，在他们的激光系统中制造光子，使得其在一个一致的模式中传输，顺时针方向或逆时针方向。
对于所有激光系统和应用中得到一个可靠的强的光子信号和光脉冲，光的传播中的一致性是很重要的。仅仅激光一项，就是与数十亿美元产业应用程序相关，从信息通信到医学上的激光脱毛。然而，这种一致性也适合于当前和未来的光学传感装置中的应用，可用于气溶胶检测器或癌症的检测。
杨兰，是一名电气系统工程系的埃德温&佛罗伦萨·斯金纳教授，奥兹德米尔是一名研究助理教授，两人都在工程与应用科学学院，其合作者有位于维也纳科技大学的斯特凡·罗特和位于德国奥托·冯·格里克大学的简·威尔斯哥，他们共同探索了一种称为特殊点的物理现象，这种点会强迫光子沿着顺时针或逆时针方向运动，而不是随机方向运动。
这一研究结果已发表在本月的《美国国家科学院学报》上。
这种特殊的点出现在物理场中，是当复杂的特征值和特征向量合并或成为一样时会发生。这些都是描述一个物理系统的数学工具。把这种特殊点看作一个复杂的迷人的环境，往往是会有不可预测的和违反直觉的现象发生。
例如，发表与2014年《自然》杂志上的一篇论文，杨和奥兹德米尔描述了利用特殊点在激光器系统中增加损耗，但却使得实际的功率增加，也就说如果你愿意，损耗会增加功率。随着物理学上的研究进展，异常点肯定会在不就的将来要促成一些更多的反直觉的科研活动和结果。
杨和奥兹德米尔引入光学领域特殊点的存在是通过加入两个二氧化硅的散射体或纳米尖端，这有助于创造完美的场景，让人想起了一个特殊的点。利用纳米位移台系统，博士上彭博，调整散射体之间的距离和相对大小，增加微震谐振腔在光学领域的扰动，召唤出一个特殊的点，他也是2014个《科学》杂志论文的第一作者。因此，他们是有一个可控的系统的。
“这项研究的一个令人兴奋的事情之一是，它提出了一个按需控制的激光，”杨说。通过改变散射体的位置，你可以改变激光器的工作制度。这将打开基于激光器的新的功能器件的可能性。”
“这项研究进一步增强了我们利用微环激光器的能力，不仅可利用增加损耗作功率的提升，正如我们以前取得的那样，而且可以精确控制激光的方向，”彭说。
他们使用的微谐振器是一类叫做回音壁模式谐振器(WGMRs),因为他们的工作方式和同样著名的回音壁，即在伦敦的圣保罗大教堂的圆顶类似，在一侧的人可以听到墙另一边的人所说的话。WGMR装置的工作频率与光的频率相似而不是声音频率。
光从WGMR通过锥形光纤波导两侧进行注入和耦合。纳米位移平台控制散射，并探测WGM的手性。在散射的情况下，当光在顺时针或逆时针方向注入WGMR中，共振峰会出现在传输谱中，反射端是没有信号获得的。
“当系统通过散射体的辅助取得一个特殊的点，这一状态会发生变化，“奥兹德米尔说。“只有一个注射方向时，反射谱显示了一个明显的共振峰。这种不对称的反射，是手性的一种独特的特点，即一个模式的固有属性。”
在物理系统中可以存在有多个特殊点。
“把系统放在不同的特殊点中的结果，仅为表现出其他注射方向的反射峰的出现，” 奥兹德米尔说。
杨补充说：“因此，我们可以控制模式的手性从系统的一个特殊的点到另一个。”
研究团队然后建立了特殊点位置不对称反射和激光模式的固有手性之间的关联。为了这个目的，他们用掺铒WGM微谐振器。铒作为一种掺杂剂，相比用于激发激光的光会增加不同波长的激光活性。
在一个特殊的点的情况下，所发出的光从铒到WGM可以同时顺时针和逆时针旋转。这使得从WGM微环激光器中提取激光是低效的。而在一个特殊的点上，光子将以一致的方式移动，无论是在顺时针或逆时针方向。
“我们现在已经对回音壁模式的手性行进行了控制，因此激光的发射方向要多亏特殊点的存在，”杨说。“我们把散射体放置在哪以及我们让他们改变工作制度的程度，增加技术的通用性。”
“我们可以调整回音壁模式使其具有有双向性(顺时针或逆时针方向)的微环激光器或单向激光器，在顺时针或逆时针方向进行激光发射。通过由该系统的一个特殊的点到另一个特殊点的过渡，我们完全可以让发射方向翻转，” 奥兹德米尔说。
结果为WGMR提供了一种用于激光、传感、光和量子电动力学新的功能。
“该小组的研究结果再次证明，如果设计得当，特殊的点、工程的损耗和散射，提供了一种在光学科学中解决那些阻碍技术发展和限制设备实用性问题的新技巧，”杨说。
“这项研究进一步增强了我们利用激光器的能力，不仅可通过损耗提高功率，正如我们以前取得的那样，而且可以对激光方向进行精确控制，”彭说。
研究人员说，他们的研究结果将有助于开发新的控制光流的技术，为手性光子的芯片铺平了道路，并可能影响到光学领域以外的科学领域。他们已经开始利用并展示了特殊点处，非厄米光子学的其他违反直觉的特点。
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