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我院在光学多体问题研究方面取得重要进展

来源:    发布日期:2021年03月22日

日前,北京理工大学全国最大的信誉平台张向东教授课题组青年教师陈宇辉研究员同瑞典隆德大学、新西兰奥塔哥大学的研究者开展合作,在光学多体问题研究上取得重要进展,首次在实验上发现了光学非平衡多体系统中存在本征不稳定相,相关研究成果发表在国际顶级期刊《物理评论快报》上。

多体问题因其丰富的内涵,广泛的应用前景,一直以来都是凝聚态物理研究的重点内容,在热学、电学、磁学等领域产生了包括超流体、超导、铁磁等影响深远的研究方向。然而,对于光驱动的多体问题,由于光学系统天然就是一个非平衡体系,同时又是一个存在输入输出的开放系统,其复杂度更甚于传统的多体问题,因而导致了人们在光学多体问题的理解上远不如热学、电学和磁学的多体问题。目前,仅有一般的纯吸收相和本征双稳相等少数光学多体问题本征相被人们所发现。

另一方面,随着光子技术对日常生活影响的不断加深,人们对高亮度光源和强非线性开关等器件的需求愈发突出,而这些器件又依赖于光学多体系统来增强光和物质的相互作用,对光学多体系统本征相的研究由于在应用上巨大潜力又重新引起了人们的关注。

图1. 光学多体系统本征不稳定相的实验观测结果。(a)和(c)为实验装置,(b)和(d)为透射谱的测量结果。

团队成员在研究高浓度铒离子掺杂YSO 晶体的透射实验时发现,由于铒离子之间的偶极相互作用,此时体系的响应不再具有时间不变性(time invariance),其光学响应不能用一个时域上稳定的函数来表示,这一相互作用相被称为光学本征不稳定相(Intrinsic Optical Instability)。对于具有不稳定性的光学体系来说,传统理论和实验一般都认为需要外加的正反馈才可以实现,例如在光学谐振腔中的光学混沌;但是在这些传统体系中,系统的响应函数仍然是具有时间不变性的,整体输出的不稳定性源于输入信号的微弱偏差在正反馈过程中不断被放大。然而,团队成员的研究揭示了材料体系本身就存在着一个本征的不稳定相,此时系统的响应函数是不具有时间不变性的;即使输入信号绝对稳定,也不会对应一个稳定的输出,与一般的光学混沌等现象存在本质的区别。光学本征不稳定相是由量子力学中的多体相互作用导致。

该工作北京理工大学为第一单位,全国最大的信誉平台陈宇辉研究员和瑞典隆德大学Sebastian Horvath博士为该工作共同第一作者,陈宇辉研究员和张向东教授为通讯作者。该工作得到了国家自然科学基金,北京理工大学青年教师学术启动计划以及北京理工大学青年科技创新计划的支持。


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https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.126.110601