新闻网讯 1月22日，《激光与光子学评论》（Laser & Photonics Reviews）在线发表了超快光学实验室与美国斯坦福大学合作在光子磁通量诱导反宇称-时间对称相变方面取得的最新研究成果，文章标题为“Gauge-Flux-Induced Anti-PT Phase Transitions for Extreme Control of Channel-Drop Tunneling”。

图1.研究成果概念图。下图：磁通量偏置微环阵列-波导耦合系统；上图：反PT对称相图，改变光子磁通量可实现从反PT对称到反PT对称破缺的相变，并可用于操控直波导间的通道隧穿几率。

宇称-时间对称(Parity-time symmetry, PT)是量子力学和非厄米物理中的基本概念，用于描述一类哈密顿量在宇称-时间对称操作下不变的非厄米系统。将PT对称引入光学体系，已为非厄米光场调控提供了新的机制，并在微纳激光、传感和导光方面取得了广泛应用。典型的PT对称系统是由一对具有平衡增益/损耗的光学微腔或波导耦合而成。与PT对称相对应，近年来反宇称-时间对称(Anti-parity-time symmetry, Anti-PT)系统的研究也开始兴起。典型的反PT对称系统是由一对具有频率失谐的微腔通过耗散耦合(虚数耦合因子)形成。早期关于反PT对称的研究主要集中于热学、电路和冷原子体系，直到最近人们才在光学系统中采用光学非线性或间接耗散耦合实现反PT对称；然而这两种方案均依赖复杂的辅助波导/微腔等组件的设计。此外，光学体系的本征频率也难以调谐，也为反PT对称系统的构建也带来了挑战。

在这项研究中，研究团队提出了一种光子磁通量辅助的直接耦合方案构造反PT对称。光子磁通量指的是能与光子相互作用的等效磁场。光子等效磁场是拓扑光子学中的概念，其构建等不仅可以用于模拟光子Aharonov-Bohm(AB)效应，量子霍尔效应，光学拓扑绝缘体，而且在实现光学非互易传输，无需全反射的光学波导等方面有着不可替代的作用。然而，之前的研究并没有揭示光子等效磁场和PT对称、反PT对称间的内在关联。在这项研究中，团队成员利用了等效磁场的基本效应-即通过给光子波函数施加一个额外的AB相位引起光子动量的平移；更进一步，通过设计光子的周期晶格结构可将动量平移转化为光子本征模式的频率调谐，从而满足了构造反PT对称的频率调谐条件。此外，通过引入耦合波导作为辐射通道，利用多模式的通道干涉效应实现耗散耦合，从而构建反PT对称系统。

图2. (a)一般微环阵列-波导耦合示意图；(b)四微环阵列-直波导示例图；(c)四微环阵列模式本征频率随光子磁通量偏置的变化图；(d)磁通量为F=p附近的模式简并示意图和本征模式示意图。

具体地，团队成员设计了一种环形微环阵列-直波导耦合系统，其中N个微环的一般情形如图2(a)，4个微环实例如图2(b)所示。如图2(c)所示，在阵列中引入光子磁通量偏置能实现本征布洛赫模式的频率连续调谐；当磁通量为F=p时，会产生生频率简并的模式对|2ñ和|3ñ(或|1ñ和|4ñ)，如图2(d)所示。继续改变磁通量大小，即可实现该模式对的频率失谐，从而满足反PT对称的第一个条件。此外，在阵列上下两侧引入耦合波导，两个模式会同时向波导中辐射，他们辐射通道干涉可实现两模式的耗散耦合，从而满足反PT对称的第二个条件。研究表明，当改变磁通量大小，体系实现从反PT对称到反PT对称破缺的相变，并伴随着从本征频率虚部到实部的分岔，如图3(a)所示。利用反PT对称相变，可以进一步调控两直波导间的通道隧穿几率，实现从完全通道隧穿[Fig. 3(b)]和完全通道隧穿抑制[Fig.3(c)]的转变；此外，引入虚光子磁通量偏置，能还将系统调谐到激光模式，从而实现通道隧穿的光放大。这项研究不仅揭示了光子规范场和反PT对称之间的关联，还为操控光子的通道隧穿提供了新的物理机制，为开发片上集成光开关、光路由和光放大器件奠定了物理基础。

图3. (a)反PT对称相图。(b)-(c)完全通道隧穿和完全通道隧穿抑制情形透射谱。(d)-(e)两种情形对应的场分布。

物理学院青年教师秦承志副教授为论文的第一作者，王兵教授、陆培祥教授和美国斯坦福大学Shanhui Fan教授为本文的通讯作者。该项研究得到了国家自然科学基金青年项目、面上项目和创新研究群体项目的资助。

论文链接为：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/lpor.202300458。