2017年9月24日
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《Nature Communications》刊登我校卢明辉、刘晓平、陈延峰教授课题组在人工微结构物理与带隙材料方面研究所取得的重要进展

我校固体微结构物理国家重点实验室、现代工程与应用科学学院、人工微结构科学与技术协同创新中心刘晓平、卢明辉和陈延峰教授课题组在人工微结构物理与带隙材料研究中取得的重要进展——“宇称-时间对称的布洛赫振荡”。他们与加州理工、中科院物理所合作,利用先进的硅基片上集成工艺技术,成功制备出宇称-时间(PT)对称性调控的二维PT对称超构材料,研究通讯波段红外光波在其中的集体传播行为。首次实现了无阈值的宇称-时间对称性破缺的布洛赫振荡现象,并发现由此导致的二次辐射。相关成果以《Experimental realization of Bloch oscillations in a Parity-Time synthetic silicon photonic lattice》为题发表于《Nature Communications》[Y-L. Xe et al., Nat. Commun. 7,11319(2016)]。

图-1 二维宇称-时间对称超构材料的设计(a)及实验制备的材料(b),以及光学耦合输入端口的放大图(c)。

最近几年来,宇称-时间(PT)对称光子学的研究引起了人们的极大关注,被《自然-物理》选为近十年来物理学的十大发现之一(Nature Phys. 11, 799(2015))。在此之前,该课题组曾经报道了在一维Si基波导上制备PT对称超构材料,成功实现了单向模式转换(Science,2011)和单向无反射传播(Nat. Mater. 2013)两个重要的进展。这篇论文报道了该研究团队在这个方面的研究拓展:从一维拓展到二维。在二维PT对称超构材料中,涉及到更复杂的耦合过程。类比于电子晶格体系,该团队设计的二维体系中引入了光场的梯度“力”,使得其本征模式劈裂成无数个均匀“能量”间隔模式组成的Wannier-Stark阶梯;通过整体激发阶梯中的所有这些模式,在这个二维晶格中可以发生由这些模式相干叠加形成的实空间的经典布洛赫振荡。然而,与电子系统不同,该研究团队的体系中引入了周期性的宇称-时间对称性的调制,将光场的梯度“力”变成同时具有实部和虚部,因此,Wannier-Stark阶梯演化成为“复能量”空间上的两套由无数个模式组成的阶梯,其中一套带有有效增益,另外一套带有纯损耗。由于这个新的维度的引入,其中的布洛赫振荡的物理图像变得不同寻常,表现为新的Wannier-Stark阶梯在传播过程中不停地向外辐射能量,而在布洛赫振荡的恢复点附近形成了最强的二次辐射。

图-2 (a)宇称-时间调制的光晶格中的布洛赫振荡理论模拟,(b)布洛赫振荡恢复点附近的理论模拟结果,(c)对应于(b)中区域的近场光学测量实验结果。

论文首次在实验上实现了硅基集成的PT二维晶格,研究了在PT对称性调控的超构材料中光波的传播、耦合和辐射行为,并首次观测到了PT对称超构材料中特有的、伴随有二次辐射的布洛赫振荡现象。特别重要的一点是:这里的布洛赫振荡发生在无阈值的宇称-时间对称性破缺点。这意味着即便是具有无穷小的损耗的宇称-时间调制,布洛赫振荡二次辐射过程都是可以观测到的。

PT对称的量子力学方程具有非厄密的哈密尔顿,却具有实本征谱,被认为是研究开放系统量子物理的重要方程,最近一些年来备受关注。PT对称光子学是目前在PT对称量子力学实验方面开展研究最为深入的领域。另一方面,该研究在Si基光子芯片上首次实现了二维的PT对称超构材料,而Si基光子学是目前光电子器件最重视的发展领域。因此,上述理论和实验不仅在基础物理方面具有重要意义,而且对于Si基光子学器件原理的拓展,都具有重要意义。

南京大学的博士生徐叶龙、加州理工的William S. Fegadolli博士、中科院物理所的甘霖副研究员是论文的共同第一作者,卢明辉教授和刘晓平教授为共同通讯作者。本工作是加州理工的Axel Scherer教授、中科院物理所李志远研究员以及南京大学的陈延峰教授小组共同合作的研究成果。项目得到了科技部重大研究计划、国家自然科学基金委项目、中组部青年千人计划等基金的资助。

(现代工程与应用科学学院 科学技术处)