中國科大觀測到基于簡并腔中渦旋光子的非厄米奇異點

中國科技大學(xué)郭光燦院士團隊在基于簡并腔中渦旋光子的拓撲量子模擬上取得新進展。該團隊李傳鋒、許金時、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。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)·進展》上。

奇異點（exceptional point, EP）是非厄米系統(tǒng)的獨特性質(zhì)，它們存在于與周圍環(huán)境有能量交換的開放系統(tǒng)中，是拓撲物理重要的研究對象。此前李傳鋒、許金時等人已利用光的軌道角動量構(gòu)建一維的人工拓撲晶格，成功搭建了基于簡并腔中渦旋光子的拓撲量子模擬平臺[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。進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劈裂成一對奇異點。

圖1：實驗原理與實驗結(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）實驗探測到的經(jīng)過EP點的能量絕對值。

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（圖1C所示），還觀測到了體費米弧、宇稱-時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)的拓撲量子模擬體系，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撲量子模擬的新方法。研究組搭建的基于簡并腔中渦旋光子的人工維度實驗平臺，不僅能用來探索深刻的拓撲物理，還可用于開發(fā)功能強大的全光器件。審稿人評價這項工作“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，因此這項實驗工作提供了一個新的重要研究視角，特別是在技術(shù)應(yīng)用方面）”。