近日,物理学院陈峰教授团队与合作者在宇称-时间(Parity-Time,简称PT)对称性和集成光子学实验领域取得重要进展。他们提出一种周期驱动(Floquet)的PT对称性的新概念,并在集成光子系统的实验平台上实现了基于这种新型PT对称性的应用。该研究成果以“Floquet Parity-Time Symmetry in Integrated Photonics”为题,发表于Nature Communications上。买球最好的网站陈峰教授和纽约城市大学Andrea Alù教授为论文通讯作者,博士研究生刘伟杰、刘全城以及中南大学倪祥教授为论文共同第一作者,买球最好的网站为第一作者单位和通讯作者单位。
PT对称性是现代物理学中的一个重要概念。它是指在物理系统中,当同时应用空间反演(P,即宇称对称)和时间反演(T,即时间倒流)时,系统的物理行为和规律保持不变。PT对称性的发现拓展了人们对量子力学理解,不同于传统厄米量子力学,PT对称量子力学提供了一种描述系统的新方式,它能够预测一些独特的现象(如PT相变),而这些现象在厄米系统中是不存在的。同时,PT对称性的概念在光学和经典波体系得到了广泛的验证和应用,用于设计具有特殊传输特性和功能的光学结构和传感器件。
该研究提出一种周期驱动下弗洛凯(Floquet)PT对称性的新概念,即通过周期性交替非厄米PT对称哈密顿量,引入Floquet PT对称模型,利用Floquet机制来控制PT相变和奇异点(Exceptional point,EP)。在传统的PT对称系统中,需要较强的增益/损耗来达到奇异点和PT对称自发性破缺,而通过该研究提出的Floquet PT新机制,可以很大程度上降低PT对称自发性破缺发生的阈值,即以较小的增益/损耗来实现奇异点和PT对称自发性破缺。该研究通过周期性调节增益/损耗分布,精准控制了EP的出现和PT相位转换。此外,对于不同的初始模态,通过这种Floquet PT对称性可以实现对输入光强的放大或衰减,为集成光子芯片在功能上实现信号控制提供了一种全新的途径。
在实验中,研究团队在基于集成光波导的平台验证了该Floquet PT模型,其中时间的角色由模式在波导中的传播来等效替代,损耗引入则通过弯曲波导来实现。他们成功地在较低的损耗水平下实现了PT对称自发性破缺,并分别实现了对出射光强进行放大或衰减的两种功能性调制。这一发现不仅为人工光子结构中的光功率输出控制提供了新方法,也为PT对称性在纳米光子学和集成光子学的应用提供了一条新途径。
德国奥格斯堡大学Klaus Ziegler教授为该研究的理论工作提供了支持。该研究获得了国家自然科学基金项目、山东省自然科学基金重大基础研究项目、山东省泰山学者攀登计划、中南大学研究启动基金等的资助。
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论文链接:https://doi.org/10.1038/s41467-024-45226-x