盡管對(duì)稱(chēng)性提供了分解自然現(xiàn)象的解決方案,但對(duì)稱(chēng)性破缺通過(guò)分裂退化產(chǎn)生了意想不到的物理現(xiàn)象。具有自發(fā)對(duì)稱(chēng)性破缺的基于光子學(xué)的奇偶時(shí)間反轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)性(PT 對(duì)稱(chēng)性),描述了開(kāi)放系統(tǒng),可能會(huì)導(dǎo)致非平凡的影響,例如損耗誘導(dǎo)激光、高功率單模激光器、渦流激光器、單向不可見(jiàn)性和非互易光傳播。具有 PT 對(duì)稱(chēng)性的非厄米系統(tǒng)已在利用間接耦合(即近場(chǎng)耦合)的各種光子平臺(tái)中得到證明,例如波導(dǎo)、等離子體、超材料和光子晶體。為了證明傳統(tǒng)的基于光子的 PT 對(duì)稱(chēng)性,由雙光子組件組成的設(shè)計(jì)不可避免地會(huì)介導(dǎo)間接耦合,因?yàn)楣庾颖举|(zhì)上是非交互式的。利用這些空間分離的光子組件,可以單獨(dú)誘導(dǎo)損耗和增益,以滿足具有反對(duì)稱(chēng)增益/損耗分布的對(duì)稱(chēng)實(shí)折射率;然而,由于系統(tǒng)對(duì)每個(gè)維度(即形狀和尺寸)的偏差很敏感,因此主動(dòng)和/或被動(dòng)控制耦合光子系統(tǒng)以在兩個(gè)光子組件之間形成簡(jiǎn)并本征能量是具有挑戰(zhàn)性的。
與傳統(tǒng)的光子平臺(tái)相比,激子 - 極化子 (polariton) 可以與激子庫(kù)和/或彼此相互作用。例如,極化子和操縱極化子勢(shì)能壘的激子儲(chǔ)層之間的相互作用已被用于生成非厄米簡(jiǎn)并的受限本征模式。然而,激子-極化子物理學(xué)并未考慮由激子分量介導(dǎo)的極化本征模式之間直接耦合的能力。由于傳統(tǒng)的基于半導(dǎo)體的腔中激子結(jié)合能低,通常還需要低溫來(lái)產(chǎn)生極化子。
研究人員在沒(méi)有任何復(fù)雜制造的狀況下,利用了線結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)并光子模式橫截面中的這種六重對(duì)稱(chēng)性,即向上三角形的回聲廊(光子)模式(tri↑-WGMs)和向下三角形- 耳語(yǔ)畫(huà)廊(光子)模式(tri↓-WGMs),如圖1所示。研究人員通過(guò)這個(gè)單一的六邊形微腔照射光線創(chuàng)建了新的激光系統(tǒng),該微腔經(jīng)過(guò)了損耗調(diào)制的氮化硅襯底處理。然而,兩種純光子模式不能直接相互作用。
圖1. 基于六邊形微腔的極化非厄米系統(tǒng)
圖2. 三極子損耗控制的設(shè)計(jì)和制造
在利用回音壁極化子中的激子成分時(shí),研究人員實(shí)現(xiàn)了向上三角形回音壁極化子(tri↑-polaritons)和向下三角形回聲壁極化子(tri↓-polaritons)之間的未探索的直接極化子耦合,即耦合的三-極化子對(duì)。在通過(guò)精確的損耗工程將耦合的三極化子對(duì)集成到高折射率基板中以滿足反對(duì)稱(chēng)增益/損耗曲線時(shí),研究人員展示了一個(gè)室溫極化 PT 對(duì)稱(chēng)系統(tǒng),其相變從不間斷到破裂。
研究人員觀察到了一個(gè)違反直覺(jué)的效果:損失變成了增益,因此即使在嚴(yán)重?fù)p失的情況下,極化子凝聚的閾值也會(huì)降低。因此,研究人員的研究結(jié)果提出了一種創(chuàng)新方法,從集成和設(shè)計(jì)的角度來(lái)看,包括非厄米系統(tǒng)在內(nèi)的實(shí)際耦合玻色子系統(tǒng)都可以提高自由度。
圖3. 耦合三極化子對(duì)的損耗依賴(lài)性
▲圖解:a. 六角線中檢測(cè)角的方向示意圖。b. 沿中心(左)和邊緣(右)檢測(cè)角 z 的角度分辨 μPL 圖像。實(shí)線 (Xc) 表示 C 激子能級(jí)。虛線代表三角形上極化子 (tri-UP)、腔光子 (tri-CP) 和下極化子 (tri-LP),而虛線代表六角形上極化子 (hex-UP)、腔光子 (hex-CP) 和下 極化子(hex-LP)。c. 極化PT對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)的光學(xué)顯微鏡圖像。d. 位置相關(guān)的μPL光譜。e,f,隨著相對(duì)位置變化(f),tri↑-和tri↓-WGM的相應(yīng)峰值能量(e)和模擬光子損失
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