导读
近日，新加坡南洋理工大学物理与应用物理系张柏乐教授课题组及香港中文大学物理系薛昊冉课题组合作，在非厄米光学研究领域取得新进展。研究团队利用合成维度的光子晶体，成功在实验上证明了狄拉克质量（Dirac mass）可由光学增益和损耗产生。相关研究成果以“Dirac mass induced by optical gain and loss”为题发表在Nature, 1-6 (2024)上，南洋理工大学博士生虞乐天和香港中文大学物理系薛昊冉教授为论文共同第一作者，Cesare Soci教授，张柏乐教授和Chong Yidong教授为通讯作者。
研究背景
质量通常被认为是物质的固有属性，但现代物理学揭示了粒子质量的复杂起源：例如，在高能物理学中，希格斯机制解释了粒子如何获得质量；石墨烯晶格中的狄拉克粒子可以作为低能准粒子存在，晶格对称性的破缺会导致它们获得质量。这些质量的产生机制都依赖于厄米性（Hermiticity），即严格的能量守恒原则。在厄米性的结构被破坏的情况下，例如通过引入增益和损失（即与未监控的外部系统进行能量传输），原先简并的狄拉克点通常会转变为独特点（exceptional point），使得准粒子的波函数变得不稳定。
研究亮点
这一工作基于合成维度的光子晶体（图1），证明了在满足特定对称性（semi-Hermitian symmetry）的情况下，增益和损耗可以用来创建稳定的狄拉克准粒子（图2）。基于非厄米系统的可调节性，研究还进一步探索了在时空上调控势能与质量对狄拉克准粒子的影响：在空间边界上，准粒子经历克莱因隧穿（Klein tunneling），由于非厄米对称性的局部破缺，研究在边界处观测到了不守恒通量效应（flux non-conservation）（图3）；当狄拉克质量符号在时间边界上突然反转时，研究观察到了时间反射现象的一种变体：在非相对论极限下，狄拉克准粒子速度发生反转，而在相对论情况下，原始速度保持不变（图4）。
图1 合成光子晶格实验示意图和对应能带。 (a), 实验示意图。(b), 强度和相位调制。 （c-e）, 不同晶胞（unit cell）调制和对应的能带。
图2 在合成晶格中，高斯波包轨迹和能量的演化。(a), 厄米调控下观测到的锥形衍射。(b), 非厄米调控下对应的带质量的狄拉克准粒子（massive Dirac quasiparticle）。（c）, 非厄米调控下增益和损失过大的情况。
图3 大质量狄拉克准粒子的克莱因隧穿（Klein tunneling）现象。(a), 克莱因隧穿示意图。(b), 合成晶格中强度和相位调制示意图。（c）, 空间边界两侧不同晶胞对应的能量变化。(d-f), 空间边界两侧不同晶胞产生的不同隧穿现象。
图4 狄拉克准粒子的时间反射和折射。(a), 时间边界示意图。(b), 合成晶格中强度和相位调制示意图。（c-d), 在不同情况下狄拉克例子的轨迹。(e), 理论与实验的透射率比较。
总结和展望
该工作展示了一种通过合成光子晶格产生真实狄拉克质量的非厄米机制。狄拉克质量不再是内在属性，而是可以通过在空间和时间上改变增益和损耗来调控。 在之后的研究中，我们可以考虑通过非厄米调控和合成维度实现其他奇特现象，如非厄米朗道能级或时间晶体。通过更复杂的晶格设计，不同种类的相对论准粒子也可能得以实现。
论文链接：https://doi.org/10.1038/s41586-024-07664-x
