我校固體微結(jié)構(gòu)物理國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、現(xiàn)代工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院、人工微結(jié)構(gòu)科學(xué)與技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心劉曉平、盧明輝和陳延峰教授課題組在人工微結(jié)構(gòu)物理與帶隙材料研究中取得的重要進(jìn)展——“宇稱-時(shí)間對稱的布洛赫振蕩”。他們與加州理工、中科院物理所合作，利用先進(jìn)的硅基片上集成工藝技術(shù)，成功制備出宇稱-時(shí)間（PT）對稱性調(diào)控的二維PT對稱超構(gòu)材料，研究通訊波段紅外光波在其中的集體傳播行為。首次實(shí)現(xiàn)了無閾值的宇稱-時(shí)間對稱性破缺的布洛赫振蕩現(xiàn)象，并發(fā)現(xiàn)由此導(dǎo)致的二次輻射。相關(guān)成果以《Experimental realization of Bloch oscillations in a Parity-Time synthetic silicon photonic lattice》為題發(fā)表于《Nature Communications》[Y-L. Xe et al., Nat. Commun. 7,11319(2016)]。

圖-1 二維宇稱-時(shí)間對稱超構(gòu)材料的設(shè)計(jì)（a）及實(shí)驗(yàn)制備的材料（b），以及光學(xué)耦合輸入端口的放大圖（c）。

最近幾年來，宇稱-時(shí)間（PT）對稱光子學(xué)的研究引起了人們的極大關(guān)注，被《自然-物理》選為近十年來物理學(xué)的十大發(fā)現(xiàn)之一（Nature Phys. 11, 799(2015)）。在此之前，該課題組曾經(jīng)報(bào)道了在一維Si基波導(dǎo)上制備PT對稱超構(gòu)材料，成功實(shí)現(xiàn)了單向模式轉(zhuǎn)換（Science，2011）和單向無反射傳播（Nat. Mater. 2013）兩個(gè)重要的進(jìn)展。這篇論文報(bào)道了該研究團(tuán)隊(duì)在這個(gè)方面的研究拓展：從一維拓展到二維。在二維PT對稱超構(gòu)材料中，涉及到更復(fù)雜的耦合過程。類比于電子晶格體系，該團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的二維體系中引入了光場的梯度“力”，使得其本征模式劈裂成無數(shù)個(gè)均勻“能量”間隔模式組成的Wannier-Stark階梯；通過整體激發(fā)階梯中的所有這些模式，在這個(gè)二維晶格中可以發(fā)生由這些模式相干疊加形成的實(shí)空間的經(jīng)典布洛赫振蕩。然而，與電子系統(tǒng)不同，該研究團(tuán)隊(duì)的體系中引入了周期性的宇稱-時(shí)間對稱性的調(diào)制，將光場的梯度“力”變成同時(shí)具有實(shí)部和虛部，因此，Wannier-Stark階梯演化成為“復(fù)能量”空間上的兩套由無數(shù)個(gè)模式組成的階梯，其中一套帶有有效增益，另外一套帶有純損耗。由于這個(gè)新的維度的引入，其中的布洛赫振蕩的物理圖像變得不同尋常，表現(xiàn)為新的Wannier-Stark階梯在傳播過程中不停地向外輻射能量，而在布洛赫振蕩的恢復(fù)點(diǎn)附近形成了最強(qiáng)的二次輻射。

圖-2 （a）宇稱-時(shí)間調(diào)制的光晶格中的布洛赫振蕩理論模擬，（b）布洛赫振蕩恢復(fù)點(diǎn)附近的理論模擬結(jié)果，（c）對應(yīng)于（b）中區(qū)域的近場光學(xué)測量實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

論文首次在實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)了硅基集成的PT二維晶格，研究了在PT對稱性調(diào)控的超構(gòu)材料中光波的傳播、耦合和輻射行為，并首次觀測到了PT對稱超構(gòu)材料中特有的、伴隨有二次輻射的布洛赫振蕩現(xiàn)象。特別重要的一點(diǎn)是：這里的布洛赫振蕩發(fā)生在無閾值的宇稱-時(shí)間對稱性破缺點(diǎn)。這意味著即便是具有無窮小的損耗的宇稱-時(shí)間調(diào)制，布洛赫振蕩二次輻射過程都是可以觀測到的。

PT對稱的量子力學(xué)方程具有非厄密的哈密爾頓，卻具有實(shí)本征譜，被認(rèn)為是研究開放系統(tǒng)量子物理的重要方程，最近一些年來備受關(guān)注。PT對稱光子學(xué)是目前在PT對稱量子力學(xué)實(shí)驗(yàn)方面開展研究最為深入的領(lǐng)域。另一方面，該研究在Si基光子芯片上首次實(shí)現(xiàn)了二維的PT對稱超構(gòu)材料，而Si基光子學(xué)是目前光電子器件最重視的發(fā)展領(lǐng)域。因此，上述理論和實(shí)驗(yàn)不僅在基礎(chǔ)物理方面具有重要意義，而且對于Si基光子學(xué)器件原理的拓展，都具有重要意義。

南京大學(xué)的博士生徐葉龍、加州理工的William S. Fegadolli博士、中科院物理所的甘霖副研究員是論文的共同第一作者，盧明輝教授和劉曉平教授為共同通訊作者。本工作是加州理工的Axel Scherer教授、中科院物理所李志遠(yuǎn)研究員以及南京大學(xué)的陳延峰教授小組共同合作的研究成果。項(xiàng)目得到了科技部重大研究計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金委項(xiàng)目、中組部青年千人計(jì)劃等基金的資助。

（現(xiàn)代工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院 科學(xué)技術(shù)處）