Optical nonreciprocity is an essential concept in optical signal processing and communication. The traditional way to achieve nonreciprocity is using magneto-optical nonreciprocal polarization rotation, which is incompatible with existing on-chip integration due to the applied magnetic field. Here, we theoretically and experimentally realize unidirectional polarization rotation with a magnetic-free mechanism using atomic ensembles. Free-space isolators and circulators are further formed based on the nonreciprocity of polarization rotation. As only one direction of the signal changes its polarization, the forward transmission and backward isolation can be adjusted separately. Compared with the existing magnetic-free circulators that rely on high-Q factor cavities or Mach–Zehnder interferometers, we experimentally realized circulators in free space. This dramatically simplifies the magnetic-free circulator structure and provides better stability.

1.
D.
Jalas
,
A.
Petrov
,
M.
Eich
,
W.
Freude
,
S.
Fan
,
Z.
Yu
,
R.
Baets
,
M.
Popović
,
A.
Melloni
,
J. D.
Joannopoulos
 et al,
Nat. Photonics
7
,
579
(
2013
).
2.
A. B.
Khanikaev
and
A.
Alù
,
Nat. Photonics
9
,
359
(
2015
).
3.
P.
Lodahl
,
S.
Mahmoodian
,
S.
Stobbe
,
A.
Rauschenbeutel
,
P.
Schneeweiss
,
J.
Volz
,
H.
Pichler
, and
P.
Zoller
,
Nature
541
,
473
(
2017
).
4.
J. I.
Cirac
,
P.
Zoller
,
H. J.
Kimble
, and
H.
Mabuchi
,
Phys. Rev. Lett.
78
,
3221
(
1997
).
5.
H. J.
Kimble
,
Nature
453
,
1023
(
2008
).
6.
V. S.
Asadchy
,
M. S.
Mirmoosa
,
A.
Díaz-Rubio
,
S.
Fan
, and
S. A.
Tretyakov
,
Proc. IEEE
108
,
1684
(
2020
).
7.
A.
Fallah
,
Y.
Kiasat
,
M. G.
Silveirinha
, and
N.
Engheta
,
Phys. Rev. B
103
,
214303
(
2021
).
8.
L.
Fan
,
C.-L.
Zou
,
R.
Cheng
,
X.
Guo
,
X.
Han
,
Z.
Gong
,
S.
Wang
, and
H. X.
Tang
,
Sci. Adv.
4
,
eaar4994
(
2018
).
9.
L.
Bi
,
J.
Hu
,
P.
Jiang
,
D. H.
Kim
,
G. F.
Dionne
,
L. C.
Kimerling
, and
C.
Ross
,
Nat. Photonics
5
,
758
(
2011
).
10.
H.
Dötsch
,
N.
Bahlmann
,
O.
Zhuromskyy
,
M.
Hammer
,
L.
Wilkens
,
R.
Gerhardt
,
P.
Hertel
, and
A. F.
Popkov
,
J. Opt. Soc. Am. B
22
,
240
(
2005
).
11.
A. W.
Elshaari
,
W.
Pernice
,
K.
Srinivasan
,
O.
Benson
, and
V.
Zwiller
,
Nat. Photonics
14
,
285
(
2020
).
12.
X.-X.
Hu
,
Z.-B.
Wang
,
P.
Zhang
,
G.-J.
Chen
,
Y.-L.
Zhang
,
G.
Li
,
X.-B.
Zou
,
T.
Zhang
,
H. X.
Tang
,
C.-H.
Dong
 et al,
Nat. Commun.
12
,
2389
(
2021
).
13.
Z.
Yu
and
S.
Fan
,
Nat. Photonics
3
,
91
(
2009
).
14.
H.
Lira
,
Z.
Yu
,
S.
Fan
, and
M.
Lipson
,
Phys. Rev. Lett.
109
,
033901
(
2012
).
15.
N. A.
Estep
,
D. L.
Sounas
,
J.
Soric
, and
A.
Alù
,
Nat. Phys.
10
,
923
(
2014
).
16.
D. L.
Sounas
and
A.
Alù
,
Nat. Photonics
11
,
774
(
2017
).
17.
L.
Fan
,
J.
Wang
,
L. T.
Varghese
,
H.
Shen
,
B.
Niu
,
Y.
Xuan
,
A. M.
Weiner
, and
M.
Qi
,
Science
335
,
447
(
2012
).
18.
N.
Bender
,
S.
Factor
,
J. D.
Bodyfelt
,
H.
Ramezani
,
D. N.
Christodoulides
,
F. M.
Ellis
, and
T.
Kottos
,
Phys. Rev. Lett.
110
,
234101
(
2013
).
19.
L.
Chang
,
X.
Jiang
,
S.
Hua
,
C.
Yang
,
J.
Wen
,
L.
Jiang
,
G.
Li
,
G.
Wang
, and
M.
Xiao
,
Nat. Photonics
8
,
524
(
2014
).
20.
D. L.
Sounas
,
J.
Soric
, and
A.
Alu
,
Nat. Electron.
1
,
113
(
2018
).
21.
T.
Shui
,
W.-X.
Yang
,
M.-T.
Cheng
, and
R.-K.
Lee
,
Opt. Express
30
,
6284
(
2022
).
22.
Z.
Shen
,
Y.-L.
Zhang
,
Y.
Chen
,
C.-L.
Zou
,
Y.-F.
Xiao
,
X.-B.
Zou
,
F.-W.
Sun
,
G.-C.
Guo
, and
C.-H.
Dong
,
Nat. Photonics
10
,
657
(
2016
).
23.
H.
Xu
,
L.
Jiang
,
A.
Clerk
, and
J.
Harris
,
Nature
568
,
65
(
2019
).
24.
C.-C.
Xia
,
X.-B.
Yan
,
X-. D.
Tian
, and
F.
Gao
,
Opt. Commun.
451
,
197
(
2019
).
25.
K.
Xia
,
G.
Lu
,
G.
Lin
,
Y.
Cheng
,
Y.
Niu
,
S.
Gong
, and
J.
Twamley
,
Phys. Rev. A
90
,
043802
(
2014
).
26.
C.
Sayrin
,
C.
Junge
,
R.
Mitsch
,
B.
Albrecht
,
D.
O'Shea
,
P.
Schneeweiss
,
J.
Volz
, and
A.
Rauschenbeutel
,
Phys. Rev. X
5
,
041036
(
2015
).
27.
I.
Söllner
,
S.
Mahmoodian
,
S. L.
Hansen
,
L.
Midolo
,
A.
Javadi
,
G.
Kiršanskė
,
T.
Pregnolato
,
H.
El-Ella
,
E. H.
Lee
,
J. D.
Song
 et al,
Nat. Nanotechnol.
10
,
775
(
2015
).
28.
S.
Zhang
,
Y.
Hu
,
G.
Lin
,
Y.
Niu
,
K.
Xia
,
J.
Gong
, and
S.
Gong
,
Nat. Photonics
12
,
744
(
2018
).
29.
G.
Lin
,
S.
Zhang
,
Y.
Hu
,
Y.
Niu
,
J.
Gong
, and
S.
Gong
,
Phys. Rev. Lett.
123
,
033902
(
2019
).
30.
Y.
Hu
,
S.
Zhang
,
Y.
Qi
,
G.
Lin
,
Y.
Niu
, and
S.
Gong
,
Phys. Rev. Appl.
12
,
054004
(
2019
).
31.
Y.
Hu
,
Y.
Qi
,
Y.
You
,
S.
Zhang
,
G.
Lin
,
X.
Li
,
J.
Gong
,
S.
Gong
, and
Y.
Niu
,
Phys. Rev. Appl.
16
,
014046
(
2021
).
32.
C.
Liang
,
B.
Liu
,
A-. N.
Xu
,
X.
Wen
,
C.
Lu
,
K.
Xia
,
M. K.
Tey
,
Y.-C.
Liu
, and
L.
You
,
Phys. Rev. Lett.
125
,
123901
(
2020
).
33.
K.
Bliokh
,
F. J.
Rodríguez-Fortuño
,
A.
Bekshaev
,
Y.
Kivshar
, and
F.
Nori
,
Opt. Lett.
43
,
963
(
2018
).
34.
R.
Duggan
,
J.
del Pino
,
E.
Verhagen
, and
A.
Alù
,
Phys. Rev. Lett.
123
,
023602
(
2019
).
35.
J.
Wang
,
Y.
Shi
, and
S.
Fan
,
Opt. Express
28
,
11974
(
2020
).
36.
G.
Chen
,
G.
Zhou
, and
F. S.
Chau
,
IEEE Photonics Technol. Lett.
28
,
1557
(
2016
).
37.
R.
Duggan
,
D.
Sounas
, and
A.
Alu
,
Optica
6
,
1152
(
2019
).
38.
Y.-H.
Wang
,
J.
Shao
,
J.
Li
,
M.-J.
Zhu
,
J.
Li
, and
Z.-G.
Dong
,
J. Opt.
18
,
055004
(
2016
).
39.
S.
Lannebère
,
D. E.
Fernandes
,
T. A.
Morgado
, and
M. G.
Silveirinha
,
Phys. Rev. Lett.
128
,
013902
(
2022
).
40.
M.
Scheucher
,
A.
Hilico
,
E.
Will
,
J.
Volz
, and
A.
Rauschenbeutel
,
Science
354
,
1577
(
2016
).
41.
L.
Del Bino
,
J. M.
Silver
,
S. L.
Stebbings
, and
P.
Del'Haye
,
Sci. Rep.
7
,
43142
(
2017
).
42.
L.
Del Bino
,
J. M.
Silver
,
M. T.
Woodley
,
S. L.
Stebbings
,
X.
Zhao
, and
P.
Del'Haye
,
Optica
5
,
279
(
2018
).
43.
F.
Ruesink
,
J. P.
Mathew
,
M.-A.
Miri
,
A.
Alù
, and
E.
Verhagen
,
Nat. Commun.
9
(
1
),
1798
(
2018
).
44.
Z.
Shen
,
Y.-L.
Zhang
,
Y.
Chen
,
F.-W.
Sun
,
X.-B.
Zou
,
G.-C.
Guo
,
C.-L.
Zou
, and
C.-H.
Dong
,
Nat. Commun.
9
(
1
),
1797
(
2018
).
45.
S.
Zhang
,
G.
Lin
,
Y.
Hu
,
Y.
Qi
,
Y.
Niu
, and
S.
Gong
,
Phys. Rev. Appl.
14
,
024032
(
2020
).
46.
E.-Z.
Li
,
D.-S.
Ding
,
Y.-C.
Yu
,
M.-X.
Dong
,
L.
Zeng
,
W.-H.
Zhang
,
Y.-H.
Ye
,
H.-Z.
Wu
,
Z.-H.
Zhu
,
W.
Gao
,
G.-C.
Guo
, and
B.-S.
Shi
,
Phys. Rev. Res.
2
,
033517
(
2020
).
47.
D.
Yavuz
,
Phys. Rev. Lett.
95
,
223601
(
2005
).
48.
A. S.
Zibrov
,
M. D.
Lukin
,
L.
Hollberg
,
D. E.
Nikonov
,
M. O.
Scully
,
H. G.
Robinson
, and
V. L.
Velichansky
,
Phys. Rev. Lett.
76
,
3935
(
1996
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.