利用光學諧振器實現「奇異點」 為研發高靈敏度光學傳感器舖路

由香港城市大學（香港城大）聯同幾間大學的物理學家組成的團隊，近日成功以簡單的諧振器系統，實現了被稱為「奇異點」（exceptional point）的物理現象，為日後開發高靈敏度光學傳感器，奠定了基礎。

在現實生活中，很多系統都會有損耗，例如光纖中傳播的光信號會衰減，導體中傳導的電流會導致發熱。物理上，這些系統被形容為非厄米（non-Hermitian）。這些系統有一個特性，就是有「奇異點」的存在——當系統各部分之間耦合（相互作用）传递的能量與各部分能量損耗的差别相平衡時，便是奇異點。在奇異點上，會出現許多奇特而反常的現象，例如損耗引發的激光、光信號的單向傳輸等。奇異點導致的另一個有趣的現象就是系統對外界微擾的非線性響應，與傳統系統相比，非厄米系統在奇異點附近對外界微擾的響應具有增強的靈敏性，奇異點的階數越高，對應的靈敏性越強。

因此，高階奇異點可應用於開發具備高靈敏性的光學傳感器。然而，高階奇異點的實現通常是非常困難的，需要依賴於系統多個參數的同時調節，奇異點的階數越高，需要同時調節的系統參數就越多，因而實現過程充滿了挑戰。

近日，香港城大物理學系助理教授王書波博士、蘇州大學侯波教授以及香港科技大學陳子亭教授等團隊合作，提出了一種基於光自旋-軌道相互作用的耦合諧振器系統，該系統可實現任意階的非厄米奇異點，為實現超高靈敏度的光學感測器奠定了基礎。研究成果早前以〈Arbitrary order exceptional point induced by photonic spin–orbit interaction in coupled resonators〉為題，發表於《自然通訊》。

他們提出的這套系統，可實現任意階的奇異點，而不需要調節系統的任何參數，其中的關鍵機制就是光自旋-軌道相互作用導致的諧振器的單向耦合。研究人員發現，在此機制下，當用數學語言來表達時，描述系統能量的哈密頓量會呈三角矩陣形式（triangular matrix），通過簡單的推導可知，所有本征值都相等，系統因此自發處於奇異點。針對這種機制，研究人員進行了實驗驗證，證明通過這系統能夠實現非厄米奇異點，他們從理論和實驗上探討了該系統中奇異點所具有的性質，發現了諧振器依賴自旋的單調激發現象，討論了系統中十階奇異點的微擾行為，並驗證了其對微擾靈敏性的增強。

王書波博士說︰「是次研究成果具有兩個方面的重要意義：一方面提出了一種全新的物理機制用於實現高階奇異點，日後可基於此機制開發高靈敏度的光學傳感器，應用於探測微小的粒子或分子；另一方面提供了一套簡單、易實現的諧振器系統，可以集成在光芯片中，成為研究和探索奇異點物理性質的通用平台。」

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

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