RESEARCH ARTICLE

石墨烯是一种具有单层二维蜂巢状晶格结构的固体材料，由于它优越的光学和电学特性成为物理、化学等学科领域备受关注的研究热点。光子石墨烯，又称蜂巢晶格，是光子学中石墨烯的类似物，在拓扑光子学领域具有潜力的应用前景。目前，基于固体材料的光子石墨烯已被广泛研究，但是这种光子石墨烯一旦制备，拥有固定的晶格结构参数。在量子信息处理、全光网络等研究领域中，对晶格参数可调谐特性有比较高的要求，使得此类光子石墨烯在上述领域中的应用受到限制。近年来，基于原子介质电磁诱导透明效应制备的光子石墨烯，具有可重构和可调谐的优良特性，在拓扑缺陷、自旋-轨道耦合、边界态以及角依赖克莱因隧穿等类石墨烯效应的研究中引起了人们的关注。

山西大学激光光谱研究所汪丽蓉教授/元晋鹏副教授课题组近期在Frontiers of Physics发表文章“Photonic graphene with reconfigurable geometric structures in coherent atomic ensembles” [Front. Phys. 18(5), 52304 (2023)]，在铷原子三能级相干系统中实现了几何结构可重构的光子石墨烯，并对其可调谐特性进行了系统的研究，首次在原子介质中实现了可拉伸的光子石墨烯结构，相关研究对于研究原子介质中的光传输和谷霍尔效应具有重要意义。

研究团队首先利用电磁诱导透明效应和三光干涉技术在热原子介质中诱导出光子石墨烯，通过调节三束干涉耦合光场的空间排布，实现了不同几何拉伸结构的光子石墨烯，利用入射探测场的离散衍射图样表征光子石墨烯的几何特征。在理论上模拟了不同几何结构的光子石墨烯对应的六角耦合光场双光子失谐大于零时的远场衍射图案，并观察到与理论相一致的实验结果。在常规的光子石墨烯中，即三束耦合光的空间排布呈等边三角形，探测光的远场衍射图案展示出正六角分布，其一阶衍射强度近似相等。在此基础上，理论上通过改变三束耦合光的空间排布，使其呈等腰的钝角或锐角三角形分布，分别获得了沿横向和纵向拉伸的光子石墨烯。同时实验上在远场衍射中观测到一个横向或纵向拉伸的六角分布衍射图案，发现拉伸方向的一阶衍射强度由于晶格常数的增加而减弱，拉伸程度越大，对应的衍射强度越弱。

进一步地，基于电磁诱导透明效应的各种相干控制技术，通过对该系统施加光场特性的改变，探测光感受到的原子介质折射率被周期性地调制，其晶格点的调制深度也发生相应改变。根据研究团队之前工作的发现，当双光子失谐由负值变为正值时，其折射率发生反转，尽管其剖面一直呈现出蜂巢晶格的轮廓，但其对应的探测光衍射图样会呈现出蜂巢型到六角型的演变 [Opt. Express 31(7), 11335 (2023)]。为了更好地证明拉伸结构光子石墨烯的产生，同时避免由于在双光子失谐小于零时，自散焦效应导致的远场衍射观测误差，研究团队在实验上观测了双光子失谐分别为‒15 MHz和15 MHz时，该光子石墨烯不同几何结构的近场衍射图样。实验发现，双光子失谐为‒15 MHz时，常规光子石墨烯输出的探测光束展示出一个清晰蜂巢轮廓。通过改变三束耦合光束空间排布，蜂巢状的衍射图案将会沿不同的方向拉伸；而双光子失谐等于15 MHz 时的近场衍射变化与远场观测情况基本一致。该近场衍射现象进一步形象地表征了光子石墨烯几何结构的重构过程，增加了实验结论的可信度。此外，研究人员还通过改变双光子失谐以及耦合光功率，动态调节光子石墨烯格点强度的分布，充分展现了该系统灵活的可调谐特性，为进一步研究原子系统中的量子信息处理和量子网络提供了理想的研究平台。

汪丽蓉，山西大学激光光谱研究所教授，博士生导师。主要从事超冷原子分子物理、量子精密测量等方向的研究，在Laser & Photonics Rev.、Phys. Rev. A、Opt. Lett.、Opt. Express等学术期刊发表论文80余篇。

元晋鹏，山西大学激光光谱研究所副教授，博士生导师。主要从事基于光学频率梳的精密测量、原子光晶格的操控方向的研究，在Laser & Photonics Rev.、Opt. Lett.、Opt. Express、Front. Phys.等学术期刊发表论文50余篇。

Yichang Shou, Jiawei Liu, and Hailu Luo, When optical microscopy meets all-optical analog computing: A brief review, Frontiers of Physics 18(4), 42601 (2023)

Kai Wang, Yong-Pan Gao, Rongzhen Jiao, and Chuan Wang, Recent progress on optomagnetic coupling and optical manipulation based on cavity-optomagnonics,Frontiers of Physics 17(4), 42201 (2022)

Xiao-Hui Li, Yi-Xuan Guo, Yujie Ren, Jia-Jun Peng, Ji-Shu Liu, Cong Wang, and Han Zhang, Narrow-bandgap materials for optoelectronics applications, Frontiers of Physics 17(1), 13304 (2022)