近日，我校物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院張富利教授團(tuán)隊(duì)在非厄米超構(gòu)材料方面取得重要進(jìn)展。研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)非厄米超構(gòu)材料結(jié)構(gòu)調(diào)控首次實(shí)現(xiàn)了PT對(duì)稱(chēng)性和PT反對(duì)稱(chēng)之間的可控轉(zhuǎn)換。研究成果以“Experimental Demonstration of Controllable PT and Anti-PT Coupling in a Non-Hermitian Metamaterial”為題發(fā)表在物理領(lǐng)域頂級(jí)期刊《Physical Review Letters》。
研究與環(huán)境存在能量交換和復(fù)雜耦合機(jī)制的開(kāi)放系統(tǒng)是近年來(lái)物理學(xué)的重要方向。其中具有宇稱(chēng)-時(shí)間 (Parity-time,PT)對(duì)稱(chēng)性的非厄米系統(tǒng)(Non-Hermiticity)首先被廣泛探索，在這樣的系統(tǒng)中直接存在著與外界的能量交換。與之對(duì)應(yīng)的宇稱(chēng)-時(shí)間反對(duì)稱(chēng) (Anti-PT)的實(shí)現(xiàn)依賴(lài)于系統(tǒng)組分間的耗散耦合，即一個(gè)組分的能量耗散被另一個(gè)組分吸收進(jìn)而形成相互作用。盡管PT反對(duì)稱(chēng)性已經(jīng)在一些實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)，其耗散耦合機(jī)制是否如同近場(chǎng)耦合一樣存在相干性依然缺乏探索。
針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，研究團(tuán)隊(duì)采用強(qiáng)耦合超構(gòu)材料基元，通過(guò)控制基元耦合相位實(shí)現(xiàn)了PT對(duì)稱(chēng)與反對(duì)稱(chēng)的變換，證明了耗散耦合存在相干性。超構(gòu)材料基元輻射出的微波光子在耦合過(guò)程中形成了相位的延遲，這一參數(shù)可通過(guò)單元間距來(lái)控制。系統(tǒng)的對(duì)稱(chēng)性通過(guò)不同參數(shù)下的能譜確定。當(dāng)基元諧振頻率相同時(shí)變化耗散差值(圖1(b)）在相位為0、PT對(duì)稱(chēng)的情況下，可以觀(guān)察到奇異點(diǎn) (Exceptional point, EP)以及與之相關(guān)的相變，而在相位為π/2、anti-PT對(duì)稱(chēng)性情況下，只能觀(guān)察到能譜實(shí)部的簡(jiǎn)并。保持anti-PT對(duì)稱(chēng)性，只有變化諧振頻率的差值，才能觀(guān)察到相應(yīng)的EP(圖1(c)）。
圖1 (a)諧振單元耦合示意圖，單元間距控制耦合相位 (b)當(dāng)諧振頻率相等時(shí)，變化耗散和耦合相位的能級(jí)圖(c)當(dāng)相位為π/2時(shí)，變化耗散和諧振頻率的能級(jí)圖，藍(lán)色點(diǎn)代表EP。
研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)測(cè)量超構(gòu)材料的透射譜，擬合得出本征能量的實(shí)部與虛部(圖2(a))。實(shí)驗(yàn)和計(jì)算首先找到了達(dá)成PT反對(duì)稱(chēng)性的基元耦合最佳間距，透射譜形成了諧振模式簡(jiǎn)并，即對(duì)應(yīng)耦合相位為π/2。
圖2(a)超構(gòu)材料樣品與實(shí)驗(yàn)示意圖(b)改變間距的透射譜，在δ=6mm時(shí)出現(xiàn)模式簡(jiǎn)并
為驗(yàn)證超構(gòu)材料的PT對(duì)稱(chēng)性和反對(duì)稱(chēng)性，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步分析EP的可能性。通過(guò)連續(xù)調(diào)節(jié)一個(gè)振子基元的頻率，可以觀(guān)察到透射峰的消失與重現(xiàn)(圖3(a))，且在對(duì)應(yīng)的能譜分析中觀(guān)察到兩個(gè)EP和相應(yīng)的相變(圖3(b))呈現(xiàn)出PT反對(duì)稱(chēng)性特點(diǎn)。
圖3. (a)在anti-PT對(duì)稱(chēng)性下改變諧振頻率的透射譜(b)擬合提取的本征能量和對(duì)應(yīng)的相變(c)滿(mǎn)足PT對(duì)稱(chēng)性的構(gòu)型(d)PT對(duì)稱(chēng)性下改變耗散的透射譜(e)本征能量與對(duì)應(yīng)的相變
在此基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)分析了諧振基元間耦合相位為0的情況，通過(guò)連續(xù)改變諧振基元的角度調(diào)控耗散因子，進(jìn)而對(duì)本征能量的變化，進(jìn)而透射譜(圖3(d))和對(duì)應(yīng)的能譜(圖3(e))觀(guān)察到EP與相變，表現(xiàn)出PT對(duì)稱(chēng)性。
該研究提供了構(gòu)建非厄米超構(gòu)材料的思路，通過(guò)控制超構(gòu)材料基元耦合實(shí)現(xiàn)了PT對(duì)稱(chēng)性和PT反對(duì)稱(chēng)性的轉(zhuǎn)換，觀(guān)察到各自對(duì)應(yīng)的EP和相變，證明了耗散耦合存在的相干性。相關(guān)工作得到了科技部國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目、陜西省青年科技新星、中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)等項(xiàng)目的資助。
文章鏈接：https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.132.156601
Phys. Rev. Lett. 132, 156601(2024) - Experimental Demonstration of Controllable PT and Anti-PT Coupling in a Non-Hermitian Metamaterial
（審核：晁小榮）
