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本文摘要:《大自然物理》(NaturePhysics)在线公开发表复旦大学物理学系由肖艳红课题组为题Anti-Parity-TimeSymmetrywithFlyingAtoms的文章,报导该组在实验上首次构建具备宇称-时间反对称性(Anti-PT对称性)光学哈密顿量的涉及结果。该工作是与美国耶鲁大学蒋良教授和温建明博士理论团队的合作成果。 PT对称性与PT赞成称之为 在传统的量子力学中,叙述一个量子力学系统的哈密顿量在数学上必需具备厄密性,从而确保鉴的相当可观测量和体系几率动量。

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《大自然物理》(NaturePhysics)在线公开发表复旦大学物理学系由肖艳红课题组为题Anti-Parity-TimeSymmetrywithFlyingAtoms的文章,报导该组在实验上首次构建具备宇称-时间反对称性(Anti-PT对称性)光学哈密顿量的涉及结果。该工作是与美国耶鲁大学蒋良教授和温建明博士理论团队的合作成果。  PT对称性与PT赞成称之为  在传统的量子力学中,叙述一个量子力学系统的哈密顿量在数学上必需具备厄密性,从而确保鉴的相当可观测量和体系几率动量。这意味著该系统是一个独立国家的系统,不与外界再次发生能量互相交换。

非厄契的哈密顿量意味着作为一种理论近似于工具用作等效地叙述一个物理体系与外界环境再次发生相互作用的情形。然而,Bender和Boettcher在1998年认为,厄密性并非本征值为实数的必要条件,对于符合宇称-时间对称性(PT对称性)的非厄契哈密顿量,在再次发生对称性破缺之前其本征值全部为实数,再次发生平面破缺之后其本征值将经常出现虚数。

对称性从非斩缺到破缺的过程即为热力学,类似于从水变为冰的过程,水的状态从液态变为了固态。所谓PT对称性则是指该哈密顿量在经过一次时间反演(T)和空间光线(P)操作者之后仍然维持形式恒定。可以这么解读,假设不存在一个世界和一面极大的镜子,在镜子当中光线出有的世界里如果让时间脱出,我们看见的情形和镜外的世界几乎一样,那么这个世界就是PT平面的。该理论很有可能拓宽目前量子力学框架,因此唤起了人们对非厄契量子力学与量子场论、非厄契安德孙模型、对外开放量子系统等诸多前沿问题的研究。

与此同时,通过光学势场仿真,可以在实验上构建目前量子力学框架中无法构建的等效PT平面的非厄契哈密顿量,并应用于大横截面单模激光器、极致激光吸收器、单向可用结构等中。  以往有关PT平面的实验都集中于在液体体系,要产生PT平面的哈密顿量,必须简单的人工材料技术。一般而言,原子体系的量子态寿命较液体体系宽很多,能构建频率分辨力很高的仪器光谱;而且弱光在原子中的光学势场可以通过另一束强光来建构和调控,因而需要像液体体系那样用微纳加工来构建特定的光学势;另外,将近十几年来发展一起的光和原子的谐振相干性控制技术,以电磁诱导半透明(EIT)为代表,使得光和原子可以在强劲耦合的情况下仍然维持很好的相干性。如果能在原子体系中构建PT平面,则将大大增加非厄契光学的研究范围,展现出更加多有意思的光学性质,并产生新的光调控手段。

  任何事物有其正面,无以有其相反,就像物质与反物质一样。作为与PT平面比较偶的一个概念,时间-宇称赞成称之为(PT赞成称之为)的哈密顿量是所指在P和T操作者之后,哈密顿量形式与原本忽略,多出一个负号。在光学现象上,PT赞成称之为也将呈现出与PT平面几乎对偶的特性,比如在PT平面体系中的无损耗传播,对应到PT赞成称之为体系中就是无反射传播,这为光的掌控获取了崭新的概念和技术手段,大大拓展了非厄契光学的研究范围。

在此之前,PT反对称性哈密顿量仍未在实验上构建。  值得一提的是,这些对称性概念虽然不是说明适当的物理现象所必需的,但是它能从宏观上加剧人们对物理本质的了解,并协助人们设计出有新型的光学体系甚至简单器件。

  利用原子热运动构建光模式之间的耦合  构建PT或者鼓吹PT光学体系的关键环节是构建有所不同光模式之间的耦合。在肖艳红课题组的工作之前,国际上还没任何实验能构建原子体系中的PT或者鼓吹PT对称性。

其主要难题在于,在原子体系中构建两个光模式之间的耦合并不如在液体中必要。液体中是通过波导的消逝波将两个光模式必要展开耦合,而原子体系中很难构建类似于的耦合。

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国内外很多课题组企图在原子体系中仿效液体体系的特性,从而构建PT平面,但是这些尝试都并未顺利。在这样的情况下,肖艳红课题组另辟蹊径,退出了液体体系中的波导耦合模式,而必要利用原子体系本身的特点原子的热运动来建构两个光模式之间的耦合。

其基本思想是,原子在一个地下通道中和光再次发生相互作用后,其量子态将再次发生转变,该原子通过热运动又转入了另外一个光地下通道,与这束光再次发生相互作用,将之前那束光的信息表达给这束光,从而构建了两个光模式之间的间接耦合,建构出有了PT赞成称之为的哈密顿量。  平面破缺、无反射传播、非定域干预与类四波混频  与液体体系中的PT平面实验类似于,肖艳红课题组也观测到了体系中最重要的性质:平面破缺即热力学现象。在热力学前,两个光模式的谐振峰方位几乎重合,热力学后又彼此分离。

与液体体系中有所不同的是,由于原子的量子态寿命较长,因此构建了频率精度在1赫兹级别的热力学观测。在研究了以上基本特性之后,肖课题组还展示了该体系中如下新奇有意思的光学现象。  比如,一束光在经过有所不同的介质时,其折射率一般来说是不一样的。实验中,一束光经过折射率大于1的介质,另一束光经过折射率小于1的介质,它们所感受到的介质折射率是有所不同的。

而建构了PT赞成称之为的哈密顿量将这两种介质放到一起之后,在体系对称性破缺之前,两束光感受到的折射率皆变成1,从而构建了无反射传播,尽管此时两个介质的折射率仍然是不一样的。  另外,众所周知,在一般的两束光再次发生干预的实验中,如传统的迈克尔逊干涉仪中,两束光在分光之后,最后在空间上必需再行使之重合才能观测到干涉现象。而本工作中,两束光之间能产生非定域干预,即两束光在空间上最后不重合也能看见干涉现象,这是因为原子在远程传送这两束光之间的相互作用。  再者,传统的PT平面实验都是两个光模式之间的必要耦合,而热原子体系中的耦合是间接的,原子间的磁矩波先再次发生耦合,再行把耦合信息表达给光。

正是由于中间多出的这一步,使得一些精致的光学现象和光掌控手段沦为有可能。比如在肖课题组的体系中,只必须转变光的旋性,就能构建整个体系从线性到非线性的改变,构建一种类四波混频的过程,这在一般的体系中是做到将近的。  在重复尝试后寻找决心  实验开始于2013年,最开始是只有一个点子,据该实验的第一作者,复旦大学物理学系由的彭鹏讲解:想要在原子体系中也构建PT平面,想到融合原子体系的特点,能再次发生什么新的现象。

  最初的实验方案是利用四波混频体系去仿真液体体系,因为四波混频能获取PT平面体系中所必须的增益。实验积极开展了近半年,进展较慢,总是观测将近想的现象。经过重复的理论修正、仿真、计算出来和检验,最后意识到目前所用的热原子体系和液体体系本质上耦合方式就是有所不同的,而利用热原子体系的耦合特点,更加便利构建PT赞成称之为体系(PT对称性在对目前体系展开改动后也能构建)。在认识到PT赞成称之为和PT平面的对偶性之后,实验的整个方向就移往到了这上面。

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新的设计实验方案之后,进展也不成功。由于是开创性的工作,没先例难以确定,一切都仅靠思索。课题在大大的告终中磕磕绊绊地向前。

最艰难的时候,一周之内倒数找到几个看起来可怕的问题,文章的第二作者、博士生曹晚霞提及:我当时都有点恐惧了。肖艳红教授说道:思想碰撞是解决问题的最有效地手段。

为了解决问题一个问题,参予课题的同学们和我常常在办公室整天整天地大大辩论。我们课题组仍然提倡公平活跃的学术气氛,老师和学生交流是几乎对等的,学生都勇于批评和驳斥老师的观点,明确提出自己独有的看法。在整个实验的两年间,正是这些辩论使得我们在经过一个个此路不通的尝试后最后寻找了决心。

  肖艳红课题组的研究方向是原子仪器光谱与精密测量,量子光学,量子纠结和量子噪声控制。本项工作感激来自国家自然科学基金委优秀青年基金,国家科技部973计划,国家重点研发计划量子调控与量子信息重点专项,复旦大学应用于表面物理国家重点实验室,以及复旦大学微纳光子结构教育部重点实验室等多方的经费反对。


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