撰稿| 由课题组供稿
导读
湖南师范大学景辉教授团队，联合新加坡国立大学仇成伟教授、浙江大学李鹰研究员以及日本理化学所Franco Nori教授，提出了一种通过操纵线性光学腔机械转动、实现宇称-时间反对称性自发破缺的方案，揭示了增强的单向光传播和纳米微粒探测等新奇效应。该工作为研究新型非厄米人工量子系统开辟了新的道路，对单向光通信、隐身传感、精密测量等实用技术方面也有重要价值。相关成果以“Breaking Anti-PT Symmetry by Spinning a Resonator”为题于10月14日在国际权威期刊《Nano Letters》上正式出版。
文章作者：张会来，黄然，张圣典，李鹰，仇成伟，Franco Nori，景辉
宇称-时间对称性打破了传统量子力学理论中厄米算符的数学限制，揭示了非厄米系统在特定条件下依然存在实数本征值，而通过诱导对称性自发破缺，还可以实现一系列常规系统难以实现的新奇效应，例如手性激光、拓扑能量转换、完美吸收、隐身传感、以及增强的声子激光和灵敏探测等。2015年，宇称-时间光学被英国《自然-物理》杂志评为“最近10年最重要的十项物理学发现”之一。最近，不需要增益条件的宇称-时间反对称性也引起人们的关注，实验上相继在原子系统、热耗散系统、电路、非线性光学以及磁性系统中实现，极大的拓展了非厄米物理的研究范围。然而，这些工作或依赖于材料结构的复杂设计，或依赖非线性相互作用，在相位匹配和激光功率阈值方面有严格要求，制约了这些新奇效应的实际应用。
本文另辟蹊径，提出了通过机械转动实现单光学腔的宇称-时间反对称性的新方案，无需任何非线性耦合或苛刻的相位匹配条件，对于激光功率也没有任何限制。
2018年，以色列理工学院Tal Carmon教授领导的实验团队首次实现了基于旋转腔的非互易光学传输，该项工作入选美国光学学会评选的“2018年度世界光学领域30项重要进展”；景辉教授参与了该项工作。当腔旋转时，由于相对论Sagnac效应，顺着或逆着旋转方向传播的光会经历大小相同但方向相反的频移，这种频移可以造成激光仅在一个方向可以透射，而在另一个方向被阻塞。
在本项新工作中，研究者们发现，控制Sagnac频移与光纤引起的耗散耦合之间的相对平衡，就可以在两个光学模式之间实现宇称-时间反对称性。特别是，调节并保持腔的转速在实验可行的范围内（kHz量级），可以实现对称自发破缺，展示出明显优于厄米系统的单向光传输能力。此外，系统对外界环境的扰动（如临近纳米颗粒的光学散射）也出现明显增强的信号响应，比没有宇称-时间反对称性的常规厄米传感器灵敏度高2个数量级。该工作为宇称-时间反对称光力学和宇称-时间反对称拓扑光学的研究奠定了基础，在大气污染监测和隐身探测等方面有重要应用价值。
湖南师范大学景辉教授为论文通讯作者，博士研究生张会来为第一作者，博士研究生黄然、硕士研究生张圣典分别为论文的第二、三作者，浙江大学李鹰研究员，新加坡国立大学仇成伟教授，以及日本理化学研究所Franco Nori教授参与了本研究工作。该工作获得国家自然科学基金重点项目和面上项目的资助。
图1 旋转腔中的宇称-时间反对称性与非互易光传输。线性环形光学微腔(紫色)与光纤耗散耦合（耦合强度
）。调节转速
，系统从宇称-时间反对称区(Anti-PTS)过渡到反对称破缺区(Anti-PTB)，相变点为奇异点(exceptional point, EP)。在反对称破缺区，该系统(红色实线)展示出高于厄米系统(灰色虚线)的光学隔离度。
图2 基于宇称-时间反对称性的超灵敏纳米粒子探测。对比基于厄米系统的纳米粒子传感器，该系统在宇称-时间反对称破缺区具有更高的灵敏度(
)。
文章链接
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.0c03119
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