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介电体超晶格实验室刘辉组利用变换光学芯片模

发布时间:2019-11-01 17:09编辑:环球彩票登录网址浏览(115)

    根据当代量子宇宙模型,时空缺陷是在宇宙量子相变过程中,真空场自发对称性破缺所导致的结果。研究组通过在光学芯片中调节材料损耗系数来模拟时空的拓扑相变过程。结果表明当材料损耗较大,超材料表现为各项同性 ,真空场处于对称相,时空无拓扑特性;当材料损耗降低至临界点以下,超材料表现为各项异性,真空场对称性自发破缺,时空具有非平庸拓扑特性。这些结果显示损耗可以做新的自由度在芯片上调控光子的拓扑性质。

    最近,物理学院该课题组的博士研究生盛冲,在刘辉教授的具体指导下,在集成光子芯片上,通过模拟广义相对论的引力透镜效应,实现了非欧弯曲时空中光子的波前控制。实验中,盛冲同学通过液滴的表面张力效应,制备出了一种模拟天体中心引力场的聚合物波导,并利用量子点荧光显微成像技术,直接观察到了光子波前在引力场弯曲时空中的传播过程。实验结果表明,这种模拟弯曲时空的光子芯片,不但可以实现非衍射的光束,而且还能模拟爱因斯坦环这种罕见的天文现象。该工作的实验部分是由南京大学课题组完成,以色列课题组协助进行了理论分析和数据处理。研究结果最近发表在Nature Communications 7:10747, DOI: 10.1038/ncomms10747 ,南京大学为第一作者单位。

    中国科学技术大学中国科学院量子信息重点实验室在超冷费米气体中新奇物相的研究方面取得新进展:该实验室教授易为与中国人民大学教授张威、北京大学教授刘雄军合作,在理论上预言并刻画了一种同时由局域序参量及非局域拓扑不变量表征的新奇拓扑超辐射相。该成果发表在7月22日的《物理评论快报》上,论文的第一作者为该实验室的博士生潘建松。

    图一 宇宙弦拓扑时空的嵌入图; 宇宙弦拓扑时空的角度缺损; 负质量宇宙弦对光线的排斥;正质量宇宙弦对光线的吸引。

    根据波动光学的惠更斯原理,光子在空间中的传播是通过光子波前的运动来描述。因此,如果我们能够控制光子的波前,就能控制光子的运动。最近几年,随着集成光学的发展,人们越来越需要在微小的光子芯片上控制光子波前,实现光子的操控。为此,人们提出了各种人工微结构材料实现光子波前控制,例如:光子晶体,超构材料,和金属表面等离激元等。

    易为等人发现,置于光学腔中的双分量简并费米气体会在原子内态与腔场相互作用下出现等效的自旋轨道耦合作用。通过调节腔的输入光场,体系在长时极限下的稳态可以被驱动到一种新奇的拓扑超辐射态上。在拓扑超辐射态上,光腔中产生大量光子,费米气体中出现密度调制;同时,体系也会获得类似手性拓扑绝缘体的拓扑非平庸性质。研究组通过计算完整展示了体系的稳态相图,刻画了拓扑超辐射相的拓扑相变,揭示了光场强度、气体密度分布等参量与体能隙、拓扑不变量等拓扑相变参数间的相互联系,并依此提出根据腔光场变化及费米气体动量分布探测拓扑相变的实验方案。这一研究成果对新奇拓扑相变的研究有重要理论意义,同时也是超冷原子气体与腔动力学复合体系研究的前沿进展。

    该工作近期发表在“Definite photon deflections of topological defects in metasurfaces and symmetry-breaking phase transitions with material loss” Nature Communications 9:4271 , 研究组博士后盛冲是第一作者, 厦门大学的陈焕阳教授参与理论分析,祝世宁院士参与了讨论和文章的修改, 南京大学是第一单位。该工作得到固体微结构物理国家重点实验室和人工微结构科学与技术协同创新中心的支持,国家自然科学基金重大项目光子态的时空演化与应用 (No.11690033)和科技部量子调控项目人工微结构中新奇量子、类量子效应研究 (No. 2017YFA0303702)的资助,在此表示感谢。

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    近些年,南京大学物理学院介电体超晶格实验室的祝世宁、刘辉研究组利用变换光学芯片,开展了弯曲时空中光子态演化特性的实验研究,取得系列成果。最近研究组的盛冲博士制备了一种二维弯曲超材料,实现一种新型的具有轴向旋转对称的各项异性变换光学介质,旋转对称中心可以模拟一维时空拓扑缺陷: 宇宙弦。虽然宇宙弦不会像其他质量的天体在周围时空中直接产生引力场,但是会造成周围时空拓扑结构的改变,导致时空角度的缺损或盈余,光在这种拓扑时空中传播的时候,无论光子的入射位置、传播方向、波长、偏振方向如何,都会产生一个确定的偏转角Δ=8πGµ,偏转的角度数值只决定于宇宙弦的质量密度µ,这是宇宙弦拓扑时空鲁棒性的体现。对于负质量密度的宇宙弦µ0, 光线将被宇宙弦吸引。实验中,研究组通过调节结构参数,制备得到了对应负质量和正质量宇宙弦的光学芯片,并通过显微荧光探针技术直接观察到了光束经过拓扑缺陷产生的偏折,实验测量的偏折角度具有时空拓扑保护的鲁棒特性,与入射光束的位置、

    该项研究得到自然基金创新群体项目(No. 11321063)、杰出青年基金(No. 61425018)、国家重点基础研究发展计划(No. 2012CB933501 and 2012CB921500), 以及南京大学登峰人才计划B层次的资助。

    近年来拓扑相及拓扑相变受到凝聚态物理、冷原子物理等领域研究人员的广泛关注。与传统相变不同,拓扑相变的发生一般并不伴随着对称性的破缺或者局域序参量的改变,而是由非局域拓扑不变量刻画。作为联系两类截然不同的量子物相的桥梁,同时由局域序参量及拓扑不变量刻画的新奇物相一直为人们所关注。

    宇宙起源是现代物理学的基本科学问题。虽然爱因斯坦广义相对论成功地描述了宇宙的演化,但是宇宙起源的时空奇点是需要量子力学来解释。因此,为了解释目前很多观测的宇宙现象,特别是早期宇宙起源,理论物理学家采用量子场论模型描述宇宙时空的性质,认为宇宙时空像是一种“凝聚态量子物质”,宇宙从大爆炸诞生、演化到现在,随着温度的降低,宇宙时空会经过一系列量子相变过程,这种相变会导致时空真空场的对称性破缺,而在宇宙中留下各种拓扑缺陷,例如磁单极子和宇宙弦等。通过探测这些时空的拓扑缺陷,人们不但可以追溯早期宇宙的诞生过程,而且观测量子引力效应和研究时空的本质。虽然人们已经开始尝试寻找时空拓扑缺陷,但由于人类太空量子探测技术的局限,目前尚未成功。另外,基于宇宙时空与凝聚态物质的类比关系,理论物理学家提出了变换光学的方法,主要是在凝聚态介质中通过连续改变物质的属性,模拟引力场弯曲时空,从而在实验上检验和演示各种弯曲时空中光子态的演化特性和量子效应,例如:光子黑洞、霍金辐射效应、宇宙膨胀红移等。

    (物理学院 科学技术处)

    这项工作得到国家基金委、中科院、科技部和教育部的资助。

    图二 二维弯曲超材料模拟负质量宇宙弦和正质量宇宙弦; 负质量宇宙弦排斥光束的实验结果; 正质量宇宙弦吸引光束的实验结果.

    广义相对论研究宇宙的起源和天体运动获得巨大成功,最近,物理学院祝世宁教授、刘辉教授课题组与以色列理工学院的Segev教授组合作,利用爱因斯坦引力波方程与电磁理论中的对应关系,利用变换光学的方法,在光子芯片上成功地实现了的光波波前的调控, 为光子芯片光的操控提出了一种新的原理和方法。

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    图三普通光学反射; 普通天体的引力透镜效应; 拓扑时空中光场的传输; 光学芯片中多光束传输实验; 光学芯片中Airy光束传输实验; 宇宙真空场的自发对称性破缺; 调节材料损耗模拟拓扑相变; 相变过程中超材料光学模式的改变与对称性破缺。

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    普通的光学介质在对光场进行操控的时候,总会改变光场的部分性质,让光场携带的信息丢失,例如最简单的光学反射会翻转光场的左右分布, 而普通天体引力透镜会导致光场的形变和发散,而宇宙弦拓扑时空中光场的传递是具有很好的鲁棒性,光场的分布被整体地保护起来,光信息的传递基本没有损失。为了进一步证明这种拓扑时空对光信息的无损传递特性,研究组将各种复杂光场耦入光学芯片中,例如多光束光场和Airy光束,实验结果显示光场在拓扑时空中传输,光场被很好地保护起来而没有被破坏。

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    (物理学院 科学技术处)

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    关键词: 子波 教授 课题组 量子 拓扑