任意阶非厄米奇异点在光学系统中的实现- 大数跨境

两江科技评论

2019-02-27

导读：近日，香港城市大学王书波教授、苏州大学侯波教授以及香港科技大学陈子亭教授等团队合作提出了一种基于光自旋-轨道相互作用的耦合谐振器系统，该系统可实现任意阶的非厄米奇异点，为实现超高灵敏度的光学传感器奠定

导读

近日，香港城市大学王书波教授、苏州大学侯波教授以及香港科技大学陈子亭教授等团队合作提出了一种基于光自旋-轨道相互作用的耦合谐振器系统，该系统可实现任意阶的非厄米奇异点（Exceptional Point），为实现超高灵敏度的光学传感器奠定了基础。研究成果以“Arbitrary order exceptional point induced by photonic spin–orbit interaction in coupled resonators”为题，发表于《Nature Communications》。

DOI: 10.1038/s41467-019-08826-6

文章作者：Shubo Wang, Bo Hou, Weixin Lu, Yuntian Chen, Z. Q. Zhang, and C. T. Chan

背景

近年来，非厄米光学系统受到广泛的关注。在这类系统的参数空间中存在一类奇异点（Exceptional Point），对应的本征值和本征态合并在一起，可以导致许多奇特而反常的现象，例如损耗引发的激光、光的单向传输等。奇异点导致的另一个有趣的现象就是系统对外界微扰的非线性响应。与传统系统相比，非厄米系统在奇异点附近对外界微扰的响应具有增强的灵敏性，奇异点的阶数越高，对应的灵敏性越强。因此，高阶奇异点可应用于开发具备高灵敏性的光学传感器。然而，高阶奇异点的实现通常是非常困难的，需要依赖于系统多个参数的同时调节，奇异点的阶数越高，需要同时调节的系统参数就越多，因而实现过程充满了挑战。

创新研究

研究人员提出一种基于光自旋-轨道相互作用的耦合谐振器系统，可实现任意阶的奇异点，且不需要调节系统的任何参数，其中的关键机制就是光自旋-轨道相互作用导致的谐振器的单向耦合。在此机制下，系统的哈密顿量呈三角矩阵形式，所有本征值都相等，系统自发处于奇异点。研究人员从理论和实验上探讨了该系统中奇异点所具有的性质，发现了谐振器依赖自旋的单调激发现象，讨论了系统中十阶奇异点的微扰行为，并验证了其对微扰灵敏性的增强。