利用光学谐振器实现“奇异点” 为研发高灵敏度光学传感器铺路

 

exceptional point

香港城市大学(香港城大)联同几间大学的物理学家组成的团队,近日成功以简单的谐振器系统,实现了被称为“奇异点”(exceptional point)的物理现象,为日后开发高灵敏度光学传感器,奠定了基础。

在现实生活中,很多系统都会有损耗,例如光纤中传播的光信号会衰减,导体中传导的电流会导致发热。物理上,这些系统被形容为非厄米(non-Hermitian)。这些系统有一个特性,就是有“奇异点”的存在——当系统各部分之间耦合(相互作用)传递的能量与各部分能量损耗的差别相平衡时,便是奇异点。在奇异点上,会出现许多奇特而反常的现象,例如损耗引发的激光、光信号的单向传输等。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。

近日,香港城大物理学系助理教授王书波博士、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了基础。研究成果早前以“Arbitrary order exceptional point induced by photonic spin–orbit interaction in coupled resonators”为题,发表于《自然通讯》

他们提出的这套系统,可实现任意阶的奇异点,而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。研究人员发现,在此机制下,当用数学语言来表达时,描述系统能量的哈密顿量会呈三角矩阵形式(triangular matrix),通过简单的推导可知,所有本征值都相等,系统因此自发处于奇异点。针对这种机制,研究人员进行了实验验证,证明通过这系统能够实现非厄米奇异点,他们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。

王书波博士说︰“是次研究成果具有两个方面的重要意义:一方面提出了一种全新的物理机制用于实现高阶奇异点,日后可基于此机制开发高灵敏度的光学传感器,应用于探测微小的粒子或分子;另一方面提供了一套简单易实现的谐振器系统,可以集成在光芯片中,成为研究和探索奇异点物理性质的通用平台。”

Exceptional point
耦合谐振器模型系统实现二階奇异点
(a)两个球形偶极子谐振器通过金属波导耦合,由于等离激元的自旋-轨道相互作用,耦合具有单向性。
(b-k)谐振器之间的距离发生改变时电偶极矩(p1和p2)的变化,从上到下距离改变了一个波长,这个过程中p1没有变化,而p2经历了干涉增强和减弱。
(i)谐振器之间距离改变时耦合系数在复平面上的变化。
Exceptional point
耦合谐振器模型系统实现高阶奇异点
(a)由5个球形谐振器构成的模型系统
(b)奇异点附近各谐振器的电偶极矩
(c)在共振频率附近,电偶极矩呈现自旋依赖的单调趋势
Exceptional point
系统光场强度的数值模拟
图中银色圆球代表谐振器,右边的色标展示光场强度(electric field magnitude)大小,颜色越白表示光场越强。这张图展示了当系统处于一个5阶的奇异点(阶数=阶振器数目)的状态时,谐振器之间的耦合呈现单向性(光只往右边传播),但愈往右传播, 谐振器产生的光场强度愈弱,这正是因奇异点的奇怪特性,而并非损耗所致。
同样由于奇异点的特性,波导中的光场则从左到右逐渐增强。奇异点阶数愈高,谐振器光场强度自左向右衰减愈多,波导内光场强度则自左向右增长愈多。因为波导右边的光场可以变得很强,所以外界有一点干扰的话,就可以产生很大的影响,这就是系统高灵敏度的原因。
Exceptional point
高阶奇异点附近的微扰行为
(a)谐振器系统中引入微扰粒子
(b)微扰导致偶极子共振峰的分裂
(c)对数坐标下共振峰的分裂与微扰呈1/10斜率的线性关系
(d)共振峰分裂的理论结果
(e)共振峰分裂与微扰关系的理论结果
Exceptional point
奇异点的实验实现和观测
(a)实现和观测奇异点的微波实验装置
(b)磁偶极子磁场强度伴随耦合距离的变化
(c)共振磁场极值的理论和实验对比
(d)谐振器之间距离改变时耦合系数在复平面上的变化
Exceptional point
香港城大物理学系助理教授王书波博士相信,是次研究成果,为日后开发高灵敏度光学传感器,奠定了基础,并提供了一套简单易实现的系统,作为研究和探索奇异点物理性质的通用平台。

DOI number: 10.1038/s41467-019-08826-6

本文已于 “香港城大研创” 微信公众号发布。
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