当前位置:首页 > 项目展示
复旦大学首次实现宇称-时间反对称性光学体系-官方网站
时间:2021-02-16 来源:am娱乐 浏览量 84674 次

《大自然物理》 (NaturePhysics)在线发表了复旦大学物理系肖的一篇题为《反宇称-时间对称性》的文章,并在实验中首次报道了用宇称-时间反对称性(Anti-PT对称性)构造光学哈密顿量的结果。这项工作是与美国耶鲁大学姜亮教授和温建铭博士的理论团队合作的结果。

PT对称性和PT一致认为,在传统的量子力学中,需要用数学中的厄米塔格来描述一个量子力学系统的哈密顿量,以保证可观的测量和系统概率动量。这意味着该系统是一个独立的国家系统,不再与外界交换能量。

非欧哈密顿量是指作为一种理论近似工具,可以用来等效描述一个物理系统与外界环境再次相互作用的情况。但是Bender和Boettcher在1998年就认为埃尔米特性质不是特征值为实数的必要条件。对于符合宇称-时间对称性(PT对称性)的非埃尔米特哈密顿量,其特征值在对称性再次破缺之前都是实数,在平面再次破缺之后往往出现虚数。从非切割到打破对称的过程就是热力学。

类似于水变成冰的过程,水的状态由液态变成固态。所谓PT对称,是指哈密顿量经过一次时间反演(T)和一次空间射线(P)算符后,在形式上保持不变。可以这么解释,假设没有世界,有一面巨大的镜子。

官方网站

如果让时间逃离光从镜子里出来的世界,我们看到的和镜子外的世界几乎一样,那么这个世界就是PT平面。这一理论很可能会拓宽目前量子力学的框架,从而引起人们对许多前沿问题的研究,如非欧量子力学和量子场论、非欧安德森模型、对外开放量子系统等。

同时,通过光势场的模拟,可以实验性地构造出目前量子力学框架中无法构造的等效PT平面的非欧哈密顿量,并应用于大截面单模激光器、极端激光吸收体、单向可用结构等。之前在PT平面上的实验,重点是液体系统。要产生PT平面的哈密顿量,需要简单的人工材料技术。

一般来说,原子系统的量子态寿命要比液体系统宽得多,可以构建高频率分辨率的仪器光谱;而且原子中弱光的光势场可以通过另一种强光来构建和调控,所以需要利用微纳加工来构建类似液体体系的特定光势;此外,以电磁感应半透明(EIT)为代表的近十年发展起来的光与原子共振相干控制技术,使得光与原子即使在强耦合的情况下也能保持良好的相干性。如果能在原子系统中构造出PT平面,那么非欧光学的研究范围将会大大扩大,更有趣的光学性质将会展现出来,新的光学控制手段将会产生。任何事物都有其积极的一面,但没有相反的一面,就像物质和反物质一样。

作为与pt平面比较的概念,时间宇称(PT称)的哈密顿是指P、T算符后,忽略哈密顿形式和原点,多一个负号。在光学现象上,PT认同它也会表现出与PT平面几乎双重的特性,比如PT平面系统中的无损传播,对应PT认同它是系统中的非反射传播,为光控获得了全新的概念和技术手段,极大地拓展了非欧光学的研究范围。在此之前,PT反对称哈密顿量还没有通过实验来构造。值得一提的是,这些对称性的概念虽然不是解释适当的物理现象所必须的,但可以从宏观上增强人们对物理本质的认识,帮助人们设计新的光学系统甚至简单的器件。

官方网站

利用原子热运动来构建光模之间的耦合,构建PT或倡导PT光学系统的关键环节是构建不同光模之间的耦合。在萧的研究小组工作之前,世界上还没有任何实验能够在原子系统中构造出PT或者倡导PT对称性。

主要问题是原子系统中两个光模之间的耦合构造没有液体中的那么必要。在液体中,需要通过波导的倏逝场来解耦两种光学模式,但在原子系统中很难构造类似的耦合。

国内外许多研究小组试图模仿原子系统中液体系统的特性,从而构造pt平面,但这些尝试都不成功。在这种情况下,肖的研究小组采取了不同的方法,退出了液体系统中的波导耦合模式。而是需要利用原子系统本身的热运动来构建两个光模之间的耦合。

基本思想是,一个原子在一个地下通道中与光再次相互作用后,其量子态会再次发生变化,原子通过热运动转移到另一个地下通道,与这个光再次相互作用,将前一个光的信息表达给这个光,从而构建了两个光模之间的间接耦合,构建了PT同意称之为哈密顿量。平面破裂、无反射传播、非局域干涉和四波混频类似于液体体系中的PT平面实验。肖洪雁的研究小组还观察到了系统中最重要的性质:平面断裂是热力学现象。

在热力学之前,两个光学模式的共振峰方向几乎重合,热力学之后又相互分离。不同于液体系统,由于原子量子态的长寿命,构建了频率精度为1 Hz的热力学观测。在研究了上述基本特征后,肖的研究小组还在该系统中展示了以下新颖有趣的光学现象。

例如,当一束光穿过不同的介质时,它的折射率通常是不同的。实验中,一束光通过折射率大于1的介质,另一束光通过折射率小于1的介质。他们感受的介质折射率是不一样的。而PT同意称之为哈密顿量的则是构造出来的。

官方网站

在将这两种介质放在一起之后,在系统的对称性破坏之前,两个光束的折射率变为1,从而构建了非反射传播,尽管此时两种介质的折射率仍然不同。此外,众所周知,在一般两束光束再次干涉的实验中,如传统的迈克尔逊干涉仪,在分光后,两束光束必须在空间上再次重叠才能观察到干涉现象。但在这项工作中,两束光束之间会发生非局域干涉,即最后两束光束在空间不重合时也能看到干涉现象,这是由于原子远距离传输的两束光束相互作用的结果。

再者,传统的PT平面实验是两个光模之间的必要耦合,而热原子系统中的耦合是间接的,原子之间的磁矩波先被再次耦合,然后耦合信息被表示为光。正是因为中间这一额外的步骤,一些微妙的光学现象和光控制手段成为可能。例如,在肖的研究小组的系统中,仅通过改变光的旋光性质,整个系统就可以从线性变为非线性,并且可以构造出一个类似四波混频的过程,这在一般系统中几乎是可以实现的。反复尝试后找到决心的实验始于2013年。

当初只有一个想法。该实验的第一作者、复旦大学物理系的鹏鹏认为,如果要在原子系统中构建PT平面,综合原子系统的特性,可以想到又会发生什么新的现象。原实验方案是用四波混频系统模拟液体系统,因为四波混频在PT平面系统中可以获得必要的增益。实验积极进行了将近半年,进展缓慢,总是观察着几乎是意料之中的现象。

经过反复的理论修正、模拟、计算和检验,最终认识到目前使用的热原子系统和液体系统的耦合方式有本质的不同,利用热原子系统的耦合特性来构造PT系统更加方便(改变现有系统后也可以构造PT对称性)。在意识到PT赞成称之为与PT平面的对偶性后,wh 因为是开创性的工作,没有先例很难确定,一切都只靠思考。这个话题在最后结结巴巴地向前发展。

在最困难的时候,我在一周内发现了几个看似很可怕的问题。文章第二作者、博士生曹万霞提到:我当时有点害怕。肖教授说:思想碰撞是解决问题最有效的手段。为了解决一个问题,我和同学经常整天在办公室大辩论。

官方网站

我们课题组还是崇尚公平活跃的学术氛围,师生交流几乎平等。学生勇于批评和反驳老师的观点,明确提出自己独特的观点。

在整个实验的两年时间里,正是这些争论,让我们在一个个尝试之后,终于找到了自己的决心。肖洪雁的研究兴趣是原子仪器光谱学和精密测量、量子光学、量子纠缠和量子噪声控制。这项工作感谢国家自然科学基金杰出青年基金、国家科技部973计划、国家重点研发项目量子调控与量子信息重点项目、复旦大学表面物理国家重点实验室、复旦大学教育部微纳光子结构重点实验室。

|官方网站。

本文来源:am娱乐-www.flexliga.com

版权所有十堰市官方网站科技有限公司 鄂ICP备71586101号-6

公司地址: 湖北省十堰市嵩县国发大楼433号 联系电话:0680-342432883

Copyright © 2018 Corporation,All Rights Reserved.

熊猫生活志熊猫生活志微信公众号
成都鑫华成都鑫华微信公众号