利用光学谐振器实现“奇异点” 为研发高灵敏度光学传感器铺路

由香港城市大学（香港城大）联同几间大学的物理学家组成的团队，近日成功以简单的谐振器系统，实现了被称为“奇异点”（exceptional point）的物理现象，为日后开发高灵敏度光学传感器，奠定了基础。

在现实生活中，很多系统都会有损耗，例如光纤中传播的光信号会衰减，导体中传导的电流会导致发热。物理上，这些系统被形容为非厄米（non-Hermitian）。这些系统有一个特性，就是有“奇异点”的存在——当系统各部分之间耦合（相互作用）传递的能量与各部分能量损耗的差别相平衡时，便是奇异点。在奇异点上，会出现许多奇特而反常的现象，例如损耗引发的激光、光信号的单向传输等。奇异点导致的另一个有趣的现象就是系统对外界微扰的非线性响应，与传统系统相比，非厄米系统在奇异点附近对外界微扰的响应具有增强的灵敏性，奇异点的阶数越高，对应的灵敏性越强。

因此，高阶奇异点可应用于开发具备高灵敏性的光学传感器。然而，高阶奇异点的实现通常是非常困难的，需要依赖于系统多个参数的同时调节，奇异点的阶数越高，需要同时调节的系统参数就越多，因而实现过程充满了挑战。

近日，香港城大物理学系助理教授王书波博士、苏州大学侯波教授以及香港科技大学陈子亭教授等团队合作，提出了一种基于光自旋-轨道相互作用的耦合谐振器系统，该系统可实现任意阶的非厄米奇异点，为实现超高灵敏度的光学传感器奠定了基础。研究成果早前以“Arbitrary order exceptional point induced by photonic spin–orbit interaction in coupled resonators”为题，发表于《自然通讯》。

他们提出的这套系统，可实现任意阶的奇异点，而不需要调节系统的任何参数，其中的关键机制就是光自旋-轨道相互作用导致的谐振器的单向耦合。研究人员发现，在此机制下，当用数学语言来表达时，描述系统能量的哈密顿量会呈三角矩阵形式（triangular matrix），通过简单的推导可知，所有本征值都相等，系统因此自发处于奇异点。针对这种机制，研究人员进行了实验验证，证明通过这系统能够实现非厄米奇异点，他们从理论和实验上探讨了该系统中奇异点所具有的性质，发现了谐振器依赖自旋的单调激发现象，讨论了系统中十阶奇异点的微扰行为，并验证了其对微扰灵敏性的增强。

王书波博士说︰“是次研究成果具有两个方面的重要意义：一方面提出了一种全新的物理机制用于实现高阶奇异点，日后可基于此机制开发高灵敏度的光学传感器，应用于探测微小的粒子或分子；另一方面提供了一套简单易实现的谐振器系统，可以集成在光芯片中，成为研究和探索奇异点物理性质的通用平台。”

DOI number: 10.1038/s41467-019-08826-6

本文已于 “香港城大研创” 微信公众号发布。
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