撰稿|由课题组供稿
近日，西北工业大学物理科学与技术学院张富利教授团队在非厄米超构材料方向取得重要进展。研究团队通过非厄米超构材料耦合调节首次实现了PT对称性和PT反对称之间的可控转换。研究成果以“Experimental Demonstration of Controllable PT and Anti-PT Coupling in a Non-Hermitian Metamaterial”为题发表在物理领域顶级期刊《Physical Review Letters》上，李畅博士、杨蕤生博士为共同第一作者，李畅博士、樊元成教授、张富利教授为通讯作者。
研究与环境存在能量交换和复杂耦合机制的开放系统是近年来物理学的重要方向，具有宇称-时间 (Parity-time, PT)对称性的非厄米系统 (non-Hermiticity) 首先被广泛探索，在这样的系统中直接存在着与外界的能量交换。与之对应的宇称-时间反对称 (Anti-PT) 的实现依赖于系统组分间的耗散耦合，即一个组分的能量耗散被另一个组分吸收进而形成相互作用。与近场耦合不同的是组分间耗散耦合不满足共轭关系，因此实现PT反对称需要精心设计单元间耦合机制。尽管近期不同实验系统中已演示PT反对称性，然而，对于耗散耦合是否存在相干性依然需要进一步探索。
本项研究中，研究团队采用电磁谐振基元组成的超构材料，通过控制耦合相位实现PT对称与反对称的变换，证明了耗散耦合存在相干性。系统设计如图1(a)所示，谐振基元辐射出的微波光子在传播过程中积累延迟相位，因此耦合相位可以通过基元间距来控制。系统的对称性可以通过本征能谱来确定：当基元谐振频率相同时改变损耗差值 (图1(b)），在耦合相位为0、PT对称的情况下，可以观察到奇异点 (Exceptional point, EP) 以及与之相关的相变，而在相位为π/2、PT反对称情况下，只能观察到能谱实部的简并；保持PT反对称性，改变谐振频率的差值时可以得到相应的EP (图1(c)）。
图1 (a)谐振基元耦合示意图，基元间距控制耦合相位 (b)当谐振频率相等时，变化耗散和耦合相位的能级图 (c)当相位为π/2时，变化耗散和谐振频率的能级图，蓝色点代表EP。
实验样品由周期的人工微结构基元组成，通过改变基元的结构参数和间距实现对谐振频率、损耗和耦合相位的调节，最终测量透射谱拟合得到本征能量 (图2(a))。实验和计算首先找到了达成PT反对称性的基元耦合最佳间距，透射谱形成了谐振模式简并，即对应耦合相位为π/2 (图2(b))。
图2 (a) 超构材料样品与实验示意图 (b) 改变间距的透射谱，在δ=6mm时出现模式简并。
研究团队进一步通过寻找EP来证明超构材料可实现PT对称和反对称性。通过连续调节一个谐振基元的频率，可以观察到透射峰的消失与重现(图3(a))，且在对应的能谱分析中发现两个EP和相应的相变 (图3(b))，证明系统此时为PT反对称。为了避免耦合相位为0时谐振基元发生重叠，实验中采取了两种谐振基元背靠背，对称分布的构型 (图3(c))。通过连续调节谐振基元的损耗，在相应的透射谱 (图3(d))和对应的能谱 (图3(e)) 观察到EP与相变，证明系统达到PT对称性。
图3 (a)在anti-PT对称性下改变谐振频率的透射谱 (b)拟合提取的本征能量和对应的相变 (c)满足PT对称性的构型 (d)PT对称性下改变耗散的透射谱 (e)本征能量与对应的相变。
该研究提供了构建非厄米超构材料的思路，通过控制超构材料基元耦合实现了PT对称性和PT反对称性的转换，并观察到各自对应的EP和相变，证明了耗散耦合存在的相干性。相关工作得到了科技部国家重点研发计划项目、国家自然科学基金面上项目、陕西省青年科技新星、中央高校基本科研业务费等项目的资助。
文章链接：
https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.132.156601
Phys. Rev. Lett. 132, 156601 (2024) - Experimental Demonstration of Controllable PT and Anti-PT Coupling in a Non-Hermitian Metamaterial
