近日，山东大学物理学院陈峰教授团队与合作者在宇称-时间（Parity-Time，简称PT）对称性和集成光子学实验领域取得重要进展。他们提出一种周期驱动（Floquet）的PT对称性的新概念，并在集成光子系统的实验平台上实现了基于这种新型PT对称性的应用。该研究成果以“Floquet Parity-Time Symmetry in Integrated Photonics”为题，发表于Nature Communications上。山东大学物理学院陈峰教授和纽约城市大学Andrea Alù教授为论文通讯作者，博士研究生刘伟杰、刘全城以及中南大学倪祥教授为论文共同第一作者，山东大学为第一作者单位和通讯作者单位。
PT对称性是现代物理学中的一个重要概念。它是指在物理系统中，当同时应用空间反演（P，即宇称对称）和时间反演（T，即时间倒流）时，系统的物理行为和规律保持不变。PT对称性的发现拓展了人们对量子力学理解，不同于传统厄米量子力学，PT对称量子力学提供了一种描述系统的新方式，它能够预测一些独特的现象（如PT相变），而这些现象在厄米系统中是不存在的。同时，PT对称性的概念在光学和经典波体系得到了广泛的验证和应用，用于设计具有特殊传输特性和功能的光学结构和传感器件。
该研究提出一种周期驱动下弗洛凯（Floquet）PT对称性的新概念，即通过周期性交替非厄米PT对称哈密顿量，引入Floquet PT对称模型，利用Floquet机制来控制PT相变和奇异点（Exceptional point，EP)。在传统的PT对称系统中，需要较强的增益/损耗来达到奇异点和PT对称自发性破缺，而通过该研究提出的Floquet PT新机制，可以很大程度上降低PT对称自发性破缺发生的阈值，即以较小的增益/损耗来实现奇异点和PT对称自发性破缺。该研究通过周期性调节增益/损耗分布，精准控制了EP的出现和PT相位转换。此外，对于不同的初始模态，通过这种Floquet PT对称性可以实现对输入光强的放大或衰减，为集成光子芯片在功能上实现信号控制提供了一种全新的途径。
在实验中，研究团队在基于集成光波导的平台验证了该Floquet PT模型，其中时间的角色由模式在波导中的传播来等效替代，损耗引入则通过弯曲波导来实现。他们成功地在较低的损耗水平下实现了PT对称自发性破缺，并分别实现了对出射光强进行放大或衰减的两种功能性调制。这一发现不仅为人工光子结构中的光功率输出控制提供了新方法，也为PT对称性在纳米光子学和集成光子学的应用提供了一条新途径。德国奥格斯堡大学Klaus Ziegler教授为该研究的理论工作提供了支持。该研究获得了国家自然科学基金项目、山东省自然科学基金重大基础研究项目、山东省泰山学者攀登计划、中南大学研究启动基金等的资助。
论文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-024-45226-x
信息：山东大学物理学院
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