近日，我校物理科學與技術學院張富利教授團隊在非厄米超構材料方面取得重要進展。研究團隊通過非厄米超構材料結構調控首次實現(xiàn)了PT對稱性和PT反對稱之間的可控轉換。研究成果以“Experimental Demonstration of Controllable PT and Anti-PT Coupling in a Non-Hermitian Metamaterial”為題發(fā)表在物理領域頂級期刊《Physical Review Letters》。
研究與環(huán)境存在能量交換和復雜耦合機制的開放系統(tǒng)是近年來物理學的重要方向。其中具有宇稱-時間 (Parity-time,PT)對稱性的非厄米系統(tǒng)(Non-Hermiticity)首先被廣泛探索，在這樣的系統(tǒng)中直接存在著與外界的能量交換。與之對應的宇稱-時間反對稱 (Anti-PT)的實現(xiàn)依賴于系統(tǒng)組分間的耗散耦合，即一個組分的能量耗散被另一個組分吸收進而形成相互作用。盡管PT反對稱性已經(jīng)在一些實驗系統(tǒng)中實現(xiàn)，其耗散耦合機制是否如同近場耦合一樣存在相干性依然缺乏探索。
針對這個問題，研究團隊采用強耦合超構材料基元，通過控制基元耦合相位實現(xiàn)了PT對稱與反對稱的變換，證明了耗散耦合存在相干性。超構材料基元輻射出的微波光子在耦合過程中形成了相位的延遲，這一參數(shù)可通過單元間距來控制。系統(tǒng)的對稱性通過不同參數(shù)下的能譜確定。當基元諧振頻率相同時變化耗散差值(圖1(b)）在相位為0、PT對稱的情況下，可以觀察到奇異點 (Exceptional point, EP)以及與之相關的相變，而在相位為π/2、anti-PT對稱性情況下，只能觀察到能譜實部的簡并。保持anti-PT對稱性，只有變化諧振頻率的差值，才能觀察到相應的EP(圖1(c)）。
圖1 (a)諧振單元耦合示意圖，單元間距控制耦合相位 (b)當諧振頻率相等時，變化耗散和耦合相位的能級圖(c)當相位為π/2時，變化耗散和諧振頻率的能級圖，藍色點代表EP。
研究團隊通過測量超構材料的透射譜，擬合得出本征能量的實部與虛部(圖2(a))。實驗和計算首先找到了達成PT反對稱性的基元耦合最佳間距，透射譜形成了諧振模式簡并，即對應耦合相位為π/2。
圖2(a)超構材料樣品與實驗示意圖(b)改變間距的透射譜，在δ=6mm時出現(xiàn)模式簡并
為驗證超構材料的PT對稱性和反對稱性，研究團隊進一步分析EP的可能性。通過連續(xù)調節(jié)一個振子基元的頻率，可以觀察到透射峰的消失與重現(xiàn)(圖3(a))，且在對應的能譜分析中觀察到兩個EP和相應的相變(圖3(b))呈現(xiàn)出PT反對稱性特點。
圖3. (a)在anti-PT對稱性下改變諧振頻率的透射譜(b)擬合提取的本征能量和對應的相變(c)滿足PT對稱性的構型(d)PT對稱性下改變耗散的透射譜(e)本征能量與對應的相變
在此基礎上，研究團隊分析了諧振基元間耦合相位為0的情況，通過連續(xù)改變諧振基元的角度調控耗散因子，進而對本征能量的變化，進而透射譜(圖3(d))和對應的能譜(圖3(e))觀察到EP與相變，表現(xiàn)出PT對稱性。
該研究提供了構建非厄米超構材料的思路，通過控制超構材料基元耦合實現(xiàn)了PT對稱性和PT反對稱性的轉換，觀察到各自對應的EP和相變，證明了耗散耦合存在的相干性。相關工作得到了科技部國家重點研發(fā)計劃項目、國家自然科學基金面上項目、陜西省青年科技新星、中央高校基本科研業(yè)務費等項目的資助。
文章鏈接：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
（審核：晁小榮）
