我校物理系肖燕红实现了第一个奇偶时间反对称光学系统。

时间:2019-03-02 04:07:04 来源:白塔新闻网 作者:匿名

8月16日,《自然·物理》(自然物理学)在学校物理系肖燕红的小组题为“飞行原子的反平等时间对称性”中发表了一篇文章,报道该小组在实验中首次实现了平价 - 时间相关(反PT对称)光学哈密顿相关结果。这项工作是与耶良大学蒋亮教授和温建明博士理论团队合作的结果。 PT对称性和PT异议 在传统的量子力学中,描述量子力学系统的哈密顿量必须在数学上是亲密的,从而确保实际的可观测性和系统的守恒性。这意味着该系统是一个独立的系统,不与外界交换能量。非艾美币哈密顿量仅用作理论近似工具来等效地描述物理系统与外部环境的相互作用。然而,Bender和Boettcher在1998年指出Hermitian不是特征值为实数的必要条件,并且在满足奇偶时间对称性(PT对称性)的非Emmy Hamiltonian中发生对称性中断。在特征值都是实数之前,特征值在对称性破坏后会出现虚构。从非破碎到破裂的对称过程是相变,类似于从水变为冰的过程,以及水从液态变为固态的过程。所谓的PT对称意味着在时间反演(T)和空间反射(P)操作之后哈密顿量保持不变。可以理解的是,假设有一个世界和一面巨大的镜子,如果反映在镜子中的世界所反映的时间,我们看到的情况与镜子外面的世界完全一样,那么世界就是PT对称。这一理论很可能拓宽当前的量子力学框架,从而激发对许多前沿问题的研究,如非Ermian量子力学和量子场论,非Emiander Sunson模型和开放量子系统。同时,通过光学势场模拟,可以实现在当前量子力学框架中无法实现的等效PT对称非Ermian哈密顿量,并应用于大截面单模激光,完美激光吸收器,单个视觉结构等先前关于PT对称性的实验已经集中在固体系统上,并且PT对称哈密顿量的生成需要复杂的人工材料技术。通常,原子系统的量子态寿命比固体系统的寿命长得多,并且可以实现具有高频率分辨率的精确光谱;并且原子中弱光的光学势场可以由另一个眩光构造和调节。没有必要使用微纳米处理来实现像固体系统那样的特定光学势;此外,过去十年中发展的光和原子的共振相干控制技术已经用电磁感应透明(EIT)表示,因此光和原子可以在强耦合的情况下,仍然保持良好的相干性。如果在原子系统中可以实现PT对称,将极大地增加非Embrella光学的研究范围,揭示更有趣的光学性质,并产生新的光控制方法。 一切都有自己的面孔,它必须有其相反的一面,就像物质和反物质一样。作为具有PT对称性的对称概念,时间奇偶反对称(PT反对称)哈密顿量意味着在P和T运算之后,哈密顿形式与原始形式相反,具有负号。就光学现象而言,PT反对称性也将表现出与PT对称的对偶性,例如PT对称系统中的无损传播,这对应于PT反对称系统中的非折射传播,这为光控制提供了新的控制。 。这一概念和技术手段极大地扩展了非Emperian光学的研究范围。在此之前,PT反对称哈密顿量尚未通过实验实现。 值得一提的是,这些对称概念并不是解释相应物理现象所必需的,但它们可以加深人们对物理本质的理解,帮助人们设计新的光学系统甚至是实用的设备。 原子热运动用于实现光学模式之间的耦合 实现PT或反PT光学系统的关键是实现不同光学模式之间的耦合。在肖炎红研究小组工作之前,世界上没有实验在原子系统中实现PT或反PT对称性。主要困难在于原子系统中两种光模式之间的耦合并不像实体那样简单。在实体中,两种光学模式通过波导的渐逝波直接耦合,并且难以在原子系统中实现类似的耦合。国内外许多研究小组试图模仿原子系统中固体系统的特征来实现PT对称性,但这些尝试都没有成功。在这种情况下,肖艳红的研究小组采取了不同的方法,放弃了固体系统中的波导耦合模式,直接利用原子系统本身的热运动来构建两种光学模式之间的耦合。基本思想是在原子与通道中的光相互作用后,其量子态将发生变化。原子通过热运动进入另一个光学通道,与光相互作用,前一个光束将信息传递给光,从而实现两种光模式之间的间接耦合,并构建PT异议的哈密顿量。对称性破坏,无折射传播,非局部干涉和四波混频 类似于固体系统中的PT对称实验,肖艳红的研究小组也观察到系统中最重要的特性:对称破缺或相变现象。在相变之前,两个光模式的共振峰值位置完全一致,并且在相变之后彼此分离。与固体系统不同,由于原子的量子态具有长寿命,因此实现了频率精度为1Hz的相变观察。在研究了上述基本特征后,肖集团还在系统中展示了以下新颖有趣的光学现象。 例如,当光束通过不同的介质时,其折射率通常是不同的。在该实验中,一束光通过折射率小于1的介质,另一束通过折射率大于1的介质,并且它们感知的介质的折射率不同。在构造PT-反对称哈密顿量以将两种介质放在一起之后,在系统的对称性被破坏之前,两束光的折射率变为1,从而实现非折射传播,尽管这两者的折射率媒体仍然不同。 另外,众所周知,在两束光相互干扰的实验中,如在传统的迈克尔逊干涉仪中,两束光在分裂后被分离,并且最后必须在空间上重叠以观察干涉。在这项工作中,可以在两个波束之间产生非局部干扰,也就是说,两个波束不能看到空间中的干扰,并且观察到干扰,因为原子“远程地”在两个波束之间传输。相互作用。 而且,传统的PT对称实验是两种光学模式之间的直接耦合,热原子系统中的耦合是间接的,原子之间的自旋波首先耦合,然后耦合信息传递给光。正是由于中间的这一额外步骤,一些新颖的光学现象和光控制方法成为可能。例如,在肖氏群的系统中,只有光的旋转变化才能改变整个系统的线性到非线性变换,实现四波混频的过程,这在一般系统中是不可能完成的。的。 经过多次尝试后寻找出路 该实验始于2013年。“一开始只有一个想法。根据实验的第一作者,我们学校物理系的彭鹏介绍说:“我想在原子系统中实现PT对称性,并看看原子系统的组合。特点,可能发生什么新现象。“最初的实验方案使用四波混频系统来模拟固体系统,因为四波混频提供了PT对称系统所需的增益。该实验已进行了将近半年,进展缓慢,并且始终未观察到所需的现象。经过反复的理论修正,模拟,计算和验证,最终认识到目前使用的热原子系统和固体系统在耦合方面存在本质上的不同,热原子系统的耦合特性使得实施PT反对称系统变得更加容易。 (PT)。在修改当前系统之后也可以实现对称性。在认识到PT反对称性和PT对称性的二元性之后,实验的整个方向转移到此。在重新设计实验方案后,进展并不顺利。因为这是一项开创性的工作,所以没有先例可循,只能探索一切。在不断失败的过程中,主体正在前进。 “最艰难的时刻,一周内发现了几个看似致命的问题,”该文章的第二作者和博士生曹霞霞说。 “当时我有点绝望。”肖艳红教授说:“思想冲击是解决问题的最有效手段。为了解决问题,参与该项目的学生我经常整天在办公室里讨论。我们的团队一直倡导平等和活跃的学术氛围,师生交流完全平等。学生们敢于质疑和反驳教师的观点,并提出自己独特的见解。经过这两年的实验,我们在“无处”试验后找到了出路。“ 肖炎红研究小组的研究方向是原子精密光谱学和精密测量,量子光学,量子纠缠和量子噪声控制。这项工作感谢国家青年科学基金会杰出青年基金,国家科技部973计划,国家重点研发计划“量子控制和量子信息”,复旦大学表面物理国家重点实验室和美光科技复旦大学光子学院。教育部的重点实验室和其他财政支持。

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