近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)郭光燦院士團(tuán)隊(duì)在基于人工合成維度的量子模擬方面取得重要實(shí)驗(yàn)進(jìn)展，實(shí)現(xiàn)了基于簡并腔中渦旋光子的拓?fù)淞孔幽M，為拓?fù)淞孔幽M開創(chuàng)新方法。
維度是決定宇宙中物質(zhì)特性的一個(gè)重要物理量。但在科學(xué)研究中，由于三維物理世界的限制，人們往往難以研究三維以上的物理系統(tǒng)性質(zhì)及演化特性。針對這一難題，科學(xué)家提出可以通過人工合成維度的方式來解決。例如，在一個(gè)三維系統(tǒng)中引入兩個(gè)人工合成維度，就可以在該系統(tǒng)上研究五維的物理性質(zhì)。
渦旋光子作為攜帶不同軌道角動(dòng)量的光子，其攜帶的軌道角動(dòng)量數(shù)目原理上可以無限，因此它是構(gòu)建人工合成維度的理想載體。早在2015年，中科院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室周正威教授研究組就首次理論提出，基于人工合成光子軌道角動(dòng)量維度實(shí)現(xiàn)量子模擬的方案。中科大郭光燦院士團(tuán)隊(duì)李傳鋒、許金時(shí)等人在這一方向進(jìn)行了長期實(shí)驗(yàn)探索，先后搭建了基于平面鏡、球面鏡和橢球面鏡的簡并光學(xué)腔，實(shí)現(xiàn)腔內(nèi)超過46階軌道角動(dòng)量模式的諧振。
此次，中科大郭光燦院士團(tuán)隊(duì)李傳鋒、許金時(shí)、韓永建等人，將渦旋光子束縛在簡并光學(xué)諧振腔內(nèi)，通過引入光子的自旋軌道耦合人工合成了一維的拓?fù)渚Ц?，為拓?fù)淞孔幽M開創(chuàng)了一種新的方法。研究成果于4月19日發(fā)表在《自然·通訊》(Nature Communications)上。
在此基礎(chǔ)上，團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造性地在駐波簡并腔中引入具有各向異性的液晶相位片，實(shí)現(xiàn)腔內(nèi)渦旋光子軌道角動(dòng)量和光子自旋（即偏振）的耦合。腔內(nèi)光子所攜帶的軌道角動(dòng)量是整數(shù)分立的，與一維離散晶格相對應(yīng)。因此，攜帶不同軌道角動(dòng)量的光子可以等效為位于不同晶格格點(diǎn)上的準(zhǔn)粒子，并通過自旋自由度將具有不同軌道角動(dòng)量的光子耦合起來，從而模擬粒子在不同晶格格點(diǎn)之間的來回躍遷。
利用共振能譜探測技術(shù)，團(tuán)隊(duì)直接刻畫了前述自旋軌道耦合系統(tǒng)的態(tài)密度(DOS)和能帶結(jié)構(gòu)。此外，團(tuán)隊(duì)利用實(shí)驗(yàn)裝置優(yōu)異的可調(diào)諧性能，清晰展現(xiàn)了周期性驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)能帶打開和閉合的演化過程，并進(jìn)一步引入不同的演化時(shí)序，系統(tǒng)研究了不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的特性并探測到拓?fù)淅@數(shù)。
前述研究驗(yàn)證了利用渦旋光子固有自旋和軌道角動(dòng)量作為人工合成維度的可行性，為研究豐富的拓?fù)湮锢硐到y(tǒng)提供了一個(gè)高度緊湊的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。
論文共同第一作者為中科院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室博士研究生楊木，以及碩士研究生張昊清、廖昱瑋。前述研究獲得科技部、國家基金委、中國科學(xué)院、安徽省的支持。
標(biāo)簽： 拓?fù)淞孔?/span> 渦旋光子
