中国科大观测到基于简并腔中涡旋光子的非厄米奇异点

中国科技大学郭光灿院士团队在基于简并腔中涡旋光子的拓扑量子模拟上取得新进展。该团队李传锋、许金时、韩永建等人利用简并光学谐振腔内的涡旋光子构建非厄米人工轨道角动量晶格，观测到了非厄米奇异点。该成果于1月25日发表在国际知名学术期刊《科学·进展》上。

奇异点（exceptional point, EP）是非厄米系统的独特性质，它们存在于与周围环境有能量交换的开放系统中，是拓扑物理重要的研究对象。此前李传锋、许金时等人已利用光的轨道角动量构建一维的人工拓扑晶格，成功搭建了基于简并腔中涡旋光子的拓扑量子模拟平台[Nature Commun. 13, 2040 (2022)]。基于这一平台，在本成果中研究组巧妙地引入一个参数赝动量，并在人工轨道角动量与参数赝动量构成的二维动量空间中构建了狄拉克点。进一步通过在人工轨道角动量晶格上引入偏振非平衡损耗（图1A所示），使动量空间中的狄拉克点劈裂成一对奇异点。

图1：实验原理与实验结果图。 （A）人工轨道角动量晶格示意图。圆圈代表轨道角动量，m为轨道角动量量子数，红色和蓝色分别代表左旋和右旋圆偏振光，直线箭头代表模式间相互作用，曲线箭头代表耗散。（B）波前角分辨能谱探测示意图。（C）实验探测到的经过EP点的能量绝对值。

在非厄米系统中，能量通常会变成复数，而对复能量的探测往往十分困难。本项工作中，研究组创造性提出了基于人工轨道角动量维度的复能谱探测方法——波前角分辨能谱探测法（图1B所示）。利用这一技术，研究组不仅成功观测到了动量空间的奇异点（图1C所示），还观测到了体费米弧、宇称-时间对称性破缺的相变和半整数能带缠绕等有趣的现象和特性。此外相比于传统的拓扑量子模拟体系，光学人工合成维度具有灵活的调节能力。研究组通过调控人工合成维度中的参数，使动量环绕奇异点一周，观测到复能量的反转，直观地刻画了复能带黎曼面的几何特征。

光学人工合成维度是近年来兴起的拓扑量子模拟的新方法。研究组搭建的基于简并腔中涡旋光子的人工维度实验平台，不仅能用来探索深刻的拓扑物理，还可用于开发功能强大的全光器件。审稿人评价这项工作“As large non-Hermitian systems are numerically difficult to study, experimental realisations as in the present work could provide new and important insights, especially with respect to technical applications. （大规模非厄米系统的数值模拟是十分困难的，因此这项实验工作提供了一个新的重要研究视角，特别是在技术应用方面）”。