作为描写微观物体运动的基本理论, 量子力学的基本原理之一是表示微观物理量的算符必须为希尔伯特空间中的厄米算符。对于哈密顿算符,厄米性不仅保证了其本征值(体系的能量)为实数,而且保证了几率守恒。1998年,C. M. Bender 等著名学者发现存在很大一类非厄米哈密顿算符,它们可具有全实本征谱, 其中最为典型的是具有宇称-时间 (parity-time;简称 PT) 对称特性的哈密顿算符。PT 对称哈密顿算符的提出激发了包括非厄米量子力学、量子场论、开放量子系统等诸多前沿和基础物理问题的研究。同时,人们意识到利用材料的光学性质可对 PT 对称问题进行有效的理论与实验研究。然而,大多数实验研究都是基于被动的光学系统(包括铁掺杂的铌酸锂波导等)。

2013年,实验室黄国翔、杭超等人设计了激光场与两组分原子气体相互作用理论模型,证明利用拉曼共振可得到 PT 对称的光学折射率空间分布,由此得到具有 PT 对称性的体系哈密顿量,从而在增益-损耗比处于临界值以下时显示出全实的本证谱 [Phys. Rev. Lett.110,083604(2013)]。该工作是国内外第一个提出的基于主动光学系统的 PT 对称模型,引起了国内外同行的重视,激发了与此相关的若干问题的研究。

在此基础上,最近该研究小组成员开展了进一步的深入研究,包括证明将原子气室嵌入光子晶体时可实现多种可调的 PT 对称光波导,这样的 PT 对称光波导可用来得到可调的谱奇点,由此可得到光的单向传播、新型光开关、光放大器、相干理想吸收体和激光等 [Opt. Lett. 38, 4033 (2013);Opt. Lett. 39, 5387 (2014);IEEE J. Selected Top. Quantum Electron. 22, 4402710 (2016);New J. Phys. 18, 085003 (2016)];证明了在具有 PT 对称光学势的相干原子气体中可得到稳定的高维慢光孤子以及实现对它们的主动操控 [Phys. Rev. A 91, 043833 (2015);Optica 3, 1048 (2016)] ;提出了在 PT 光晶格中实现光场局域-离域相变的物理模型并发现了 PT 破缺点附近局域-离域相变的若干特征 [Opt. Lett. 40, 2758 (2015);Laser Photon. Rev. 10, 100 (2016)]。发表的有关研究成果产生了重要的国际影响,为国际著名学者近期撰写的有关PT对称的综述论文 [Rev. Mod. Phys. 88, 035002 (2016)] 重点系列引用与评述,小组成员也多次受邀在国际会议上作大会报告。


图:(a) 光与两组分三能级原子气体相互作用的理论模型(上)和几何结构(下); (b) 控制光场与 Stark 光场的空间分布(左)和具有 PT 对称的光学折射率实部 和虚部的 空间分布(右); (c) PT 对称结构中的光的传播(左)和非 PT对称结构中的光的传播(右)。

来源: 华东师范大学精密光谱科学与技术国家重点实验室