【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】4月14日，《先進(jìn)光子學(xué)》(Advanced Photonics)在線發(fā)表了物理學(xué)院超快光學(xué)團(tuán)隊(duì)在合成時(shí)域晶格非厄米朗道-齊納隧穿的實(shí)驗(yàn)測量方面取得的最新研究成果，文章標(biāo)題為“Real-time measurement of non-Hermitian Landau-Zener tunneling near band crossings”。物理學(xué)院博士生趙藍(lán)鴿為論文第一作者，原我校博士后現(xiàn)東南大學(xué)副研究員王書林、物理學(xué)院青年教師秦承志副教授為共同第一作者；意大利米蘭理工大學(xué)Stefano Longhi教授、物理學(xué)院和武漢光電國家研究中心陸培祥教授、王兵教授為論文共同通訊作者。
 

　　朗道-齊納隧穿是一種普遍存在的量子現(xiàn)象，描述了多能級(jí)系統(tǒng)在外加強(qiáng)場驅(qū)動(dòng)下發(fā)生于能級(jí)間的非絕熱躍遷現(xiàn)象。朗道-齊納隧穿在真實(shí)物理系統(tǒng)中會(huì)受到系統(tǒng)與環(huán)境之間相互作用的影響，耗散型非厄米體系中的朗道-齊納隧穿是凝聚態(tài)物理及量子信息等領(lǐng)域的核心問題之一。然而，在以往的工作中，人們大多關(guān)注隧穿幾率，少有對(duì)隧穿過程的研究。此外，非厄米朗道-齊納隧穿的研究大都局限于理論分析，其隧穿過程還有待進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)研究。在實(shí)驗(yàn)條件方面，由于一般的量子體系如超導(dǎo)量子比特構(gòu)成的二能級(jí)系統(tǒng)等需要低溫環(huán)境，實(shí)驗(yàn)設(shè)備昂貴。合成時(shí)域晶格具有結(jié)構(gòu)參數(shù)和能帶可調(diào)的特性，便于人們研究各種實(shí)驗(yàn)條件嚴(yán)苛的量子現(xiàn)象。尤其是可重構(gòu)光子規(guī)范勢的引入，為合成時(shí)域晶格中構(gòu)建等效電場提供了有效手段。而在高強(qiáng)度的等效電場驅(qū)動(dòng)下，會(huì)發(fā)生朗道-齊納隧穿效應(yīng)。于是，在合成時(shí)域晶格中研究朗道-齊納隧穿效應(yīng)，既能夠在光學(xué)體系中實(shí)現(xiàn)復(fù)雜量子效應(yīng)的觀測，也能在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)如分束器、干涉儀等性能更加優(yōu)越的光學(xué)器件。
 

　　圖1.(a)非厄米時(shí)域光子晶格示意圖；(b)參數(shù)空間中的復(fù)本征值；(c)不同損耗系數(shù)下本征值的實(shí)部和虛部；(d)不同損耗系數(shù)下的光脈沖演化。從左到右損耗系數(shù)分別為g= 0，0.1和0.6。
 

　　在這項(xiàng)研究中，團(tuán)隊(duì)成員基于耦合光纖環(huán)路[圖1(a)]構(gòu)造等效時(shí)域光子晶格，借助環(huán)路中的增益和損耗在晶格中引入非互易耦合，成功構(gòu)建了非厄米時(shí)域光子晶格。該非厄米系統(tǒng)具有復(fù)數(shù)形式的本征值，其能譜在參數(shù)空間中展現(xiàn)出典型的奇異點(diǎn)[圖1(b)]，并給出損耗臨界值。當(dāng)損耗小于該臨界值，能帶實(shí)部呈現(xiàn)回避交叉，虛部直接交叉；當(dāng)損耗超過該臨界值，實(shí)部直接交叉，虛部是分離的[圖1(c)]。通過產(chǎn)生快速變化的等效矢勢，構(gòu)建了高強(qiáng)度的等效恒定電場，在該電場的作用下，波包會(huì)在布里淵區(qū)的中心發(fā)生非厄米朗道-齊納隧穿效應(yīng)[圖1(d)]。該隧穿過程不是瞬時(shí)發(fā)生的，而是存在一個(gè)瞬態(tài)的振蕩過程。研究人員對(duì)該過程進(jìn)行截?cái)啵诮財(cái)帱c(diǎn)之前，波包演化為朗道-齊納隧穿過程，在截?cái)帱c(diǎn)之后，我們撤掉電場以保證波包絕熱演化，同時(shí)施加矢勢突變使波包同向傳播發(fā)生干涉。繼而利用干涉條紋提取波包在兩個(gè)能帶上的占比，從而得到了每個(gè)截?cái)帱c(diǎn)處的瞬時(shí)隧穿幾率[圖2(a)-(f)]。研究表明：隧穿幾率不依賴于損耗且與朗道-齊納模型給出的隧穿幾率一致。而損耗的主要作用是消除隧穿過程中帶占據(jù)數(shù)的振蕩，使得系統(tǒng)更快地到達(dá)穩(wěn)態(tài)[圖2(g)-(i)]。該研究為在合成維度中構(gòu)建非厄米晶格提供了新的思路，為探索非厄米系統(tǒng)中的物理現(xiàn)象提供了非常實(shí)用的平臺(tái)，在相干量子控制及光信息處理領(lǐng)域有潛在應(yīng)用。
 

　　圖2.實(shí)驗(yàn)中測得的非厄米朗道-齊納隧穿過程。(a)-(c)絕熱基下帶占有數(shù)隨步數(shù)的變化情況；(d)-(f)透熱基下帶占有數(shù)隨步數(shù)的變化情況；(g)-(i)損耗因子對(duì)非厄米朗道-齊納隧穿過程的影響。