近日，波兰华沙大学与法国国家科学研究中心、华沙军事科技学院和英国南安普顿大学合作证明，解释了奇异点的拓扑特性。该团队还首次观察到不同简并能量态的奇异点湮灭，这有助于先进光学设备的发展，以上结果已发表在期刊《Nature Communications》上。

 

图1 实际光谱中，奇异点的轨迹。（图片来源：华沙大学）

 

宇宙由基本粒子组成，其中大部分粒子都有对应的反粒子，即为物质和反物质，当两者相遇时，就会湮灭。物理学家通过能量激发——电荷、振动、能量——产生准粒子和准反粒子，并在晶体或液体等物质中被捕获。

 

华沙大学物理学院Jacek Szczytko解释道：“准粒子世界可能非常复杂，尽管准粒子能简化量子现象的理论描述。”

 

法国国家科学研究中心理论学家Gullaume Malpuech和Dmitry Solnyshkov说：“若没有准粒子，就很难理解晶体管、发光二极管、超导体和量子计算机等。即使是抽象的数学概念，只要有对应的物理情景，也可以用准粒子来解释。但有种抽象概念是例外。”

 

Gullaume Malpuech 解释说：“这种‘奇异点’是特殊系统的参数，并导致完全不同的物理现象，即那些振荡随着时间慢慢消失的系统。”

 

Dmitry Solnyshkov补充说：“它们可以创造出高效的传感器、单模激光或单向传输。并且，每个奇异点对应一个非零的拓扑电荷——特征值，描述了基本几何特性，并确定奇异点是另一奇异点的‘反粒子’。”

 

该团队对液晶基光学谐振器进行分析，液晶是物质的一种特殊形态，尽管液晶是液态的，但其特定方向是可以区分的。

 

图2 奇异点湮灭的创新性。(a) 典型的奇异点湮灭只对应一个狄拉克谷。当增加非厄米密度，狄拉克谷可产生奇异点；当减小非厄米密度，奇异点合成狄拉克谷。(b) 该工作描述的不同非厄米密度对湮灭的影响。当增加非厄米密度时，2个狄拉克谷产生4个奇异点；随着密度增加，奇异点相遇并湮灭，系统中没有奇异点，其中w是卷绕数。

 

通过光束可探测奇异点，其行为与液晶光轴的行为不同。普通液晶显示器（LCD）易与调谐外部电场相结合。偏振光——即电磁波电场振动方向——完全“感应”光轴方向，而这些方向与液晶分子取向有关。

 

华沙军事科技学院Wiktor Piecek说：“在实验中，液晶层被放置在两个平面镜子之间，构造了一个光学腔，并且只允许特定波长的光通过。”

 

对于腔共振模式，即特定颜色（能量）、偏振和传播方向的光，均满足这一条件。这相当于一个落入腔中的光子可在两个反射镜之间反射多次。

 

液晶的方向可通过施加电压改变，调谐腔模能量。此外，当光以一定角度入射，共振条件发生变化，特别是导致不同腔模相交，即虽然光的偏振度不同，但具有相同的能量。

 

该论文所考虑的液晶取向，在理想情况下，两种不同的腔模只有在四个特定入射角下才能相交，而且没有损耗。事实上，被困在腔内的光可通过镜子缺陷逃逸或散射。

 

光子在微腔中的平均停留时间可根据光谱测量来确定。此外，由于液晶层的取向，平行和垂直于液晶轴的偏振光散射是不同的。根据实验结果，在理想共振腔中的每个简并态处，观察到一对奇异点。在该点处，腔中光子的能量和寿命都是相同的。

 

该论文第一作者Mateus Krol描述该实验：“在测试系统中，奇异点位置可通过改变施加到腔体上的电压来控制。首先，随着电偏压的降低，不同简并态的奇异点彼此靠近，最终重叠。由于它们有相反的拓扑电荷，它们会在相遇时湮灭，最终消失。”

 

法国国家科学研究中心博士生Ismael Septembre补充说：“这种类型的拓扑奇点行为，即不同简并态的奇异点湮灭被首次观察到。先前的研究表明，奇异点的湮灭会在完全相同的简并点上出现和消失。”

 

物理学的不同领域广泛研究了拓扑奇异点。华沙大学物理学院Barbara Pietka说：“该研究成果为基于拓扑特性的电控光学器件奠定基础。”

 

新闻链接：

https://phys.org/news/2022-10-annihilation-exceptional-degeneration.html

 

[1] Król, M., Septembre, I., Oliwa, P. et al. Annihilation of exceptional points from different Dirac valleys in a 2D photonic system. Nat Commun 13, 5340 (2022). https://doi.org/10.1038/s41467-022-33001-9