螺旋波导阵列中的光学Zitterbewegung现象
学术
2024-09-11 09:00
中国香港
1. 导读
Zitterbewegung（trembling motion）现象是一类由狄拉克方程描述的相对论自由粒子的高频振荡效应。由于其高频率和弱振幅特性使得该类量子现象很难在实验上进行观测。复杂的相互作用和有限的结构尺度严重阻碍了量子现象的实验观察，而光学系统很好的克服上述困难，使用光学系统来模拟量子现象引起了人们的极大兴趣。此工作中，研究者从理论和数值上证明了光学Zitterbewegung效应可以在由耦合螺旋波导组成的Floquet光子晶格中实现。通过交替使用相邻波导之间的距离，可以有效地控制超晶格的准能带，获得完全坍缩和翻转的能带结构，从而实现了光学Zitterbewegung效应的幅振、频率和漂移方向的有效控制。研究结果为Floquet波导阵列中操纵光传播动力学行为提供了理论依据，也为其它类量子现象的研究提供了理想的光学实现平台。2. 研究背景
Zitterbewegung现象迄今已在多种物理系统中得到预测，如半导体、超导体、玻色-爱因斯坦凝聚态、等离子体等。在光学系统中，二元波导阵列被证实是一类观测光学振颤现象的理想平台，此时，狄拉克方程的双分量（旋量）波函数动力学可以通过近轴光传播来模拟，旋量由两个交错的子晶格表示。此外，Floquet能带工程为非平衡态及光束传输提供了额外的自由度，利用飞秒激光写入技术制备的由倏逝耦合单模螺旋波导组成的光子晶格因其拓扑特性和能带坍缩而备受关注。在螺旋波导阵列中，有关模式之间的共存及相互作用的研究尚未得到广泛探索，研究Floquet机制和内部态的干涉效应迫在眉睫。所以研究人员设计了螺旋波导构成的SSH晶格模型，研究了一维、二维情况下光束模式之间的相互作用，实现了光学Zitterbewegung现象的有效观测，并详细分析了波导间距、螺旋量对Zitterbewegung效应的影响。3. 创新研究
此工作中，研究人员构建了SSH螺旋波导阵列结构，基于紧束缚模型，研究了Floquet能带结构的调控方法，从理论和数值上研究了光波在该类光学系统中的传输动力学行为，提供了一类观测光学Zitterbewegung现象效应的经典波动光学模拟手段。在一维情况下，Floquet准能谱由两个子能带组成，在第一布里渊区的边缘附近，能谱等效为相对论自由粒子的正能量和负能量的色散曲线，光波演化对应于相对论狄拉克方程表征的粒子动力学行为。晶格间距决定了有效耦合强度，当有效耦合强度从正变负时，不仅会显著影响了Zitterbewegung现象的振幅和频率，还导致了漂移方向的翻转，如图1所示。此外，研究人员还研究了螺旋参数对Zitterbewegung效应的影响，以及证明了光学Zitterbewegung现象对耦合强度扰动的鲁棒性。![]()
图1 一维螺旋波导阵列中的光学振颤现象
进一步，研究人员将相关结论推广到了二维情况，如图2，在高对称点M处，能谱曲线存在三个能带，上模和零模之间的干涉在确定Zitterbewegung效应特性时中起着主导作用，也成功实现了Zitterbewegung现象漂移方向的反转。![]()
图2 二维螺旋波导阵列中的光学振颤现象
4. 应用与展望
研究团队设计了一类观测Zitterbewegung现象的光学系统，基于Floquet能带工程研究能带结构的调控方法，实现了Zitterbewegung现象的振幅、频率和漂移方向的有效控制。研究结果为Floquet波导阵列中操纵光传播动力学行为提供了理论依据，也为其它类量子现象的研究提供了理想光学实现平台。该研究成果以“Optical Zitterbewegung effect in arrays of
helical waveguides”为题在线发表在Nanophotonics。本文作者分别是Kaiyun
Zhan, Qixuan Chen, Qian Zhang, Tingjun Zhao, Hanqiang Qin, Haolong He Guangting Yao，其中展凯云副教授为通讯作者。第一通讯单位为中国石油大学（华东）理学院。
