中國科大在單個微腔內(nèi)構(gòu)建人工規(guī)范場研究中取得進(jìn)展

中國科學(xué)院院士、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授郭光燦團(tuán)隊在單個微腔內(nèi)構(gòu)建人工規(guī)范場研究方面取得進(jìn)展。該團(tuán)隊中，教授董春華研究組首次利用回音壁模式微腔中多模相互作用，通過幾何相位控制實(shí)現(xiàn)了人工合成規(guī)范場，包括合成磁場和合成電場。相關(guān)研究成果發(fā)表在Physics Review Letters上。

當(dāng)帶電粒子經(jīng)過一個回路，通過的磁通量產(chǎn)生一個相位差，該相位差可用來研究凝聚態(tài)物理里的拓?fù)洮F(xiàn)象，如拓?fù)湎辔唬負(fù)浔Ｗo(hù)量子態(tài)等。對于非帶電粒子或者玻色子，類似地，可以通過構(gòu)建一個幾何相位，即構(gòu)建哈密頓量，使非帶電粒子和玻色子獲得一個路徑相關(guān)的相位，實(shí)現(xiàn)合成磁場。合成磁場可以為量子多體物理的模擬計算提供更高的精度和對玻色子更好的控制。此外，合成磁場可以在多個體系里實(shí)現(xiàn)，如超冷原子、光子、聲子以及其他玻色準(zhǔn)粒子。

以往研究均通過多個微腔體系來構(gòu)建幾何相位實(shí)現(xiàn)人工規(guī)范場，而該團(tuán)隊首次利用單個微腔，通過微腔支持多模相互作用的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了合成規(guī)范場。利用光纖錐同時向微腔注入順時針和逆時針的驅(qū)動光，可以實(shí)現(xiàn)光子與聲子相干耦合且耦合相位完全可控。科研人員通過實(shí)驗(yàn)證明，光子在多個模式間耦合輸運(yùn)會獲得與路徑相關(guān)的相位差，從而實(shí)現(xiàn)了光子的等效合成磁場；進(jìn)一步發(fā)揮微腔光場調(diào)控的優(yōu)勢，也實(shí)現(xiàn)了時變的規(guī)范相位，從而首次在單個微腔中實(shí)現(xiàn)光子的合成電場。由于微腔里可以實(shí)現(xiàn)比較強(qiáng)的相干光機(jī)械耦合相互作用，以及相干的非線性光學(xué)效應(yīng)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果也預(yù)示了合成磁場可以在可控的情況下拓展到更高維度，而這在現(xiàn)實(shí)的晶格里還未實(shí)現(xiàn)；此外，本實(shí)驗(yàn)中的合成規(guī)范場有望用于研究光子的拓?fù)湫再|(zhì)，實(shí)現(xiàn)手性邊緣態(tài)和拓?fù)浔Ｗo(hù)。

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（a-b）單個微腔內(nèi)的多模相互作用建立了可擴(kuò)展的人工規(guī)范場；（c-e）不同合成磁場強(qiáng)度下腔內(nèi)光子及聲子的響應(yīng)。

中國科大博士研究生陳元、張延磊、沈鎮(zhèn)為論文共同第一作者，董春華、特任副研究員鄒長鈴為論文通訊作者。研究工作得到國家重點(diǎn)研發(fā)計劃、中科院、國家自然科學(xué)基金委員會、量子信息與量子科技前沿協(xié)同創(chuàng)新中心等的支持。

論文鏈接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.126.123603