导读
近日，南京大学卢明辉教授团队发表综述文章，回顾了非厄米光学和时空对称性等新兴领域的最新发展。文章简要回顾了时空对称哈密顿量在量子力学中的研究及其在光学系统中的拓展，介绍了时空对称算符、奇异点、自发对称性破缺等基本概念。文章的重点在于回顾时空对称非厄米调制在光子学中的新颖效应和功能，包括非对称传输、相干完美吸收、时空对称激光等，并结合多种光学实验体系如波导、微谐振腔、光子晶体、超材料、表面等离基元等，给出具体的示例。本文还探讨了时空对称非厄米调制的应用前景，并展望了由这些新观点、新成果所启发而产生的新兴领域和未来的研究方向。
这一综述文章近期发表在Advanced Materials 上，文章的第一作者是南京大学博士后 Samit Kumar Gupta。
量子力学诞生距今已有一个多世纪，它从根本上改变了人类对微观物质结构及其相互作用的理解。量子力学的基本公设之一是可观测量公设：系统的实观测量对应哈密顿量的实本征值，而具有实本征值的哈密顿量必然是厄米哈密顿量。因而在以往的研究中，人们往往将研究的目光聚焦于厄米系统。然而，1998年 Carl. Bender在理论上提出，非厄米( non-Hermitian )哈密顿量也可能具有实数本征值，只要其满足时空对称性(Parity Time Symmetry)，即系统在宇称和时间反演联合作用下保持不变。这一开创性工作改变了人们对于量子力学的认识，将量子理论扩展到开放量子系统中。
由于量子力学中薛定谔方程和光学麦克斯韦方程在许多情况下都具有相似的数学结构，人们能够利用光学系统类比量子系统来研究时空对称性。光子学器件的加工能够与成熟的CMOS加工工艺兼容，因此样品制备更简单。此外，在光学系统中可以通过引入增益损耗来调节折射率虚部，这使得非厄米调制更加精确可控。因而，光子学系统成为研究时空对称的优异平台。
此外，非厄米光子学以及超材料等领域的发展，在一定程度上改变了人们对光与物质相互作用的理解，为光学调控提供了新的自由度。非厄米光学研究将人们的目光从实数介电常数-磁导率平面拓展到整个复介电常数平面，重点探究了折射率实部和虚部之间的相互关系，而折射率虚部则对应光学增益和损耗。光学损耗一直以来都被视作光学器件中的有害因素，需要通过光学增益进行补偿。但是系统非厄米研究为人们提供了新的研究思路。通过调节增益损耗的大小和空间分布，非厄米势能调制为系统提供了一个额外的自由度，从而为光子器件引入更多新颖的功能。
文章链接
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201903639
Parity-Time Symmetry in Non-Hermitian Complex Optical Media
Samit Kumar Gupta, Yi Zou, Xue-Yi Zhu, Ming-Hui Lu, Li-Jian Zhang, Xiao-Ping Liu, Yan-Feng Chen .Adv. Mater. 2019, 1903639. https://doi.org/10.1002/adma.201903639
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