中國科大觀測到基于簡并腔中渦旋光子的非厄米奇異點(diǎn)

中國科大郭光燦院士團(tuán)隊(duì)在基于簡并腔中渦旋光子的拓?fù)淞孔幽M上取得新進(jìn)展。該團(tuán)隊(duì)李傳鋒、許金時(shí)、韓永建等人利用簡并光學(xué)諧振腔內(nèi)的渦旋光子構(gòu)建非厄米人工軌道角動量晶格，觀測到了非厄米奇異點(diǎn)。該成果于1月25日發(fā)表在國際知名學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)·進(jìn)展》上。

奇異點(diǎn)（exceptional point, EP）是非厄米系統(tǒng)的獨(dú)特性質(zhì)，它們存在于與周圍環(huán)境有能量交換的開放系統(tǒng)中，是拓?fù)湮锢碇匾难芯繉ο�。此前李傳鋒、許金時(shí)等人已利用光的軌道角動量構(gòu)建一維的人工拓?fù)渚Ц�，成功搭建了基于簡并腔中渦旋光子的拓?fù)淞孔幽M平臺[Nature Commun. 13, 2040 (2022)]。基于這一平臺，在本成果中研究組巧妙地引入一個(gè)參數(shù)贗動量，并在人工軌道角動量與參數(shù)贗動量構(gòu)成的二維動量空間中構(gòu)建了狄拉克點(diǎn)。進(jìn)一步通過在人工軌道角動量晶格上引入偏振非平衡損耗（圖1A所示），使動量空間中的狄拉克點(diǎn)劈裂成一對奇異點(diǎn)。

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圖1：實(shí)驗(yàn)原理與實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖。（A）人工軌道角動量晶格示意圖。圓圈代表軌道角動量，m為軌道角動量量子數(shù)，紅色和藍(lán)色分別代表左旋和右旋圓偏振光，直線箭頭代表模式間相互作用，曲線箭頭代表耗散。（B）波前角分辨能譜探測示意圖。（C）實(shí)驗(yàn)探測到的經(jīng)過EP點(diǎn)的能量絕對值。

在非厄米系統(tǒng)中，能量通常會變成復(fù)數(shù)，而對復(fù)能量的探測往往十分困難。本項(xiàng)工作中，研究組創(chuàng)造性提出了基于人工軌道角動量維度的復(fù)能譜探測方法——波前角分辨能譜探測法（圖1B所示）。利用這一技術(shù)，研究組不僅成功觀測到了動量空間的奇異點(diǎn)（圖1C所示），還觀測到了體費(fèi)米弧、宇稱-時(shí)間對稱性破缺的相變和半整數(shù)能帶纏繞等有趣的現(xiàn)象和特性。此外相比于傳統(tǒng)的拓?fù)淞孔幽M體系，光學(xué)人工合成維度具有靈活的調(diào)節(jié)能力。研究組通過調(diào)控人工合成維度中的參數(shù)，使動量環(huán)繞奇異點(diǎn)一周，觀測到復(fù)能量的反轉(zhuǎn)，直觀地刻畫了復(fù)能帶黎曼面的幾何特征。

光學(xué)人工合成維度是近年來興起的拓?fù)淞孔幽M的新方法。研究組搭建的基于簡并腔中渦旋光子的人工維度實(shí)驗(yàn)平臺，不僅能用來探索深刻的拓?fù)湮锢�，還可用于開發(fā)功能強(qiáng)大的全光器件。審稿人評價(jià)這項(xiàng)工作“As large non-Hermitian systems are numerically difficult to study, experimental realisations as in the present work could provide new and important insights, especially with respect to technical applications. （大規(guī)模非厄米系統(tǒng)的數(shù)值模擬是十分困難的，因此這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)工作提供了一個(gè)新的重要研究視角，特別是在技術(shù)應(yīng)用方面）”。

論文的共同第一作者是中科院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室博士研究生楊木、張昊清、廖昱瑋。本研究得到科技部、國家基金委、中國科學(xué)院、安徽省和中國科大的支持。