近日，上海交通大学密西根学院万文杰教授的科研团队在国际物理学权威期刊《Physical Review Letters》以“Synthetic anti-PT symmetry in a single microcavity”（《在单个光学微腔中实现合成维度的反PT对称系统》）为题发表在非厄米量子光学系统领域的最新研究成果。万文杰和纽约城市大学助理教授葛力为论文的通讯作者， 密西根学院博士研究生张方醒为第一作者。
近年来，基于宇称时间（PT）对称性和反PT对称性的非厄米体系统揭示了厄米体以外丰富的物理现象。迄今为止，上述对称系统的实现仅限于空间域。密院科研团队的研究从理论和实验上阐述了在单个光学微腔中由非线性布里渊散射引起的光谱维度上的合成反PT对称性，其中布里渊散射引起的两个模式中的光致透明或吸收，分别为两模式提供了光学增益和损耗，进而可以在两个对称区域之间发生相变过程。该方案为全光信号处理和量子信息科学提供了一种新的研究非厄米体物理的方法。
（a）基于二氧化硅光学微腔的实验系统。（b）BSIT/BSIA产生原理图解。（c）频率维度上的合成PT对称系统的示意图。
研究成果表明，利用单一微腔中的两个耦合的光学模式代替现有的空间奇偶势场，通过非线性变换可合成一个附加的频域，进而从理论和实验上证明了在这个合成光谱维中合成反PT的对称性。与以往对原始PT对称性和反PT对称性的探索不同，科研团队通过受激布里渊散射（SBS）非线性频率转换耦合单个微腔中的两个光谱分离光共振，并不需要在空间PT情况下有第二个微腔。这两种非线性耦合共振相互影响，产生布里渊散射致感应透明（BSIT）或吸收（BSIA），与原子物理学中的对应共振类似。通过使用专门为这个框架开发的调谐技术，研究人员在一个特殊的点观察到一个引人注目的非厄米期相变。相关结果将非厄米体光子学的范围扩展到合成光谱维，为利用PT和反PT对称性的优点提供了一个新的范例。
（a）实验（灰点）观测到的模式演变频谱，及其对应理论结果（红线）。测量的出的反PT对称系统哈密顿量的本征值实部（b）及虚部（c）的数值。
该项研究为合成维度和非厄米系统两个新兴科学领域的结合提供了一个新的平台，也为非厄米物理与非线性光学过程之间的关系提供了一个独特的视角。相关成果对科学界研究包括二次谐波产生、参量放大和四波混频在内的广泛现象将具有借鉴意义。
论文原文：https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.124.053901
作者介绍
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万文杰现任上海交通大学密西根学院副教授，博士生导师。2010年博士毕业于美国普林斯顿大学。毕业后，在耶鲁大学从事博士后研究工作。2011年进入上海交通大学执教。万文杰副教授的研究领域集中在微纳光学，非线性光学，以及光学超分辨研究。 |
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张方醒，上海交通大学密西根学院博士生。2016年毕业于中山大学，原物理科学与工程技术学院，光信息科学与技术专业（现拆分至物理学院，电信学院），后进入密西根学院攻读博士。研究方向为基于光学微腔器件的物理过程。 |
