【儀表網 研發(fā)快訊】4月14日，《先進光子學》(Advanced Photonics)在線發(fā)表了物理學院超快光學團隊在合成時域晶格非厄米朗道-齊納隧穿的實驗測量方面取得的最新研究成果，文章標題為“Real-time measurement of non-Hermitian Landau-Zener tunneling near band crossings”。物理學院博士生趙藍鴿為論文第一作者，原我校博士后現東南大學副研究員王書林、物理學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Stefano Longhi教授、物理學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象，描述了多能級系統(tǒng)在外加強場驅動下發(fā)生于能級間的非絕熱躍遷現象。朗道-齊納隧穿在真實物理系統(tǒng)中會受到系統(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域的核心問題之一。然而，在以往的工作中，人們大多關注隧穿幾率，少有對隧穿過程的研究。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一步實驗研究。在實驗條件方面，由于一般的量子體系如超導量子比特構成的二能級系統(tǒng)等需要低溫環(huán)境，實驗設備昂貴。合成時域晶格具有結構參數和能帶可調的特性，便于人們研究各種實驗條件嚴苛的量子現象。尤其是可重構光子規(guī)范勢的引入，為合成時域晶格中構建等效電場提供了有效手段。而在高強度的等效電場驅動下，會發(fā)生朗道-齊納隧穿效應。于是，在合成時域晶格中研究朗道-齊納隧穿效應，既能夠在光學體系中實現復雜量子效應的觀測，也能在此基礎上設計如分束器、干涉儀等性能更加優(yōu)越的光學器件。
 

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

　　在這項研究中，團隊成員基于耦合光纖環(huán)路[圖1(a)]構造等效時域光子晶格，借助環(huán)路中的增益和損耗在晶格中引入非互易耦合，成功構建了非厄米時域光子晶格。該非厄米系統(tǒng)具有復數形式的本征值，其能譜在參數空間中展現出典型的奇異點[圖1(b)]，并給出損耗臨界值。當損耗小于該臨界值，能帶實部呈現回避交叉，虛部直接交叉；當損耗超過該臨界值，實部直接交叉，虛部是分離的[圖1(c)]。通過產生快速變化的等效矢勢，構建了高強度的等效恒定電場，在該電場的作用下，波包會在布里淵區(qū)的中心發(fā)生非厄米朗道-齊納隧穿效應[圖1(d)]。該隧穿過程不是瞬時發(fā)生的，而是存在一個瞬態(tài)的振蕩過程。研究人員對該過程進行截斷，在截斷點之前，波包演化為朗道-齊納隧穿過程，在截斷點之后，我們撤掉電場以保證波包絕熱演化，同時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能帶上的占比，從而得到了每個截斷點處的瞬時隧穿幾率[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數的振蕩，使得系統(tǒng)更快地到達穩(wěn)態(tài)[圖2(g)-(i)]。該研究為在合成維度中構建非厄米晶格提供了新的思路，為探索非厄米系統(tǒng)中的物理現象提供了非常實用的平臺，在相干量子控制及光信息處理領域有潛在應用。
 

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