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介电体超晶格实验室刘辉组利用变换光学芯片模

发布时间:2019-11-17 12:32编辑:产品评测浏览(135)

    宇宙起源是现代物理学的基本科学问题。虽然爱因斯坦广义相对论成功地描述了宇宙的演化,但是宇宙起源的时空奇点是需要量子力学来解释。因此,为了解释目前很多观测的宇宙现象,特别是早期宇宙起源,理论物理学家采用量子场论模型描述宇宙时空的性质,认为宇宙时空像是一种“凝聚态量子物质”,宇宙从大爆炸诞生、演化到现在,随着温度的降低,宇宙时空会经过一系列量子相变过程,这种相变会导致时空真空场的对称性破缺,而在宇宙中留下各种拓扑缺陷,例如磁单极子和宇宙弦等。通过探测这些时空的拓扑缺陷,人们不但可以追溯早期宇宙的诞生过程,而且观测量子引力效应和研究时空的本质。虽然人们已经开始尝试寻找时空拓扑缺陷,但由于人类太空量子探测技术的局限,目前尚未成功。另外,基于宇宙时空与凝聚态物质的类比关系,理论物理学家提出了变换光学的方法,主要是在凝聚态介质中通过连续改变物质的属性,模拟引力场弯曲时空,从而在实验上检验和演示各种弯曲时空中光子态的演化特性和量子效应,例如:光子黑洞、霍金辐射效应、宇宙膨胀红移等。

    广义相对论研究宇宙的起源和天体运动获得巨大成功,最近,物理学院祝世宁教授、刘辉教授课题组与以色列理工学院的Segev教授组合作,利用爱因斯坦引力波方程与电磁理论中的对应关系,利用变换光学的方法,在光子芯片上成功地实现了的光波波前的调控, 为光子芯片光的操控提出了一种新的原理和方法。

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    根据波动光学的惠更斯原理,光子在空间中的传播是通过光子波前的运动来描述。因此,如果我们能够控制光子的波前,就能控制光子的运动。最近几年,随着集成光学的发展,人们越来越需要在微小的光子芯片上控制光子波前,实现光子的操控。为此,人们提出了各种人工微结构材料实现光子波前控制,例如:光子晶体,超构材料,和金属表面等离激元等。

    图一 宇宙弦拓扑时空的嵌入图; 宇宙弦拓扑时空的角度缺损; 负质量宇宙弦对光线的排斥;正质量宇宙弦对光线的吸引。

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    近些年,南京大学物理学院介电体超晶格实验室的祝世宁、刘辉研究组利用变换光学芯片,开展了弯曲时空中光子态演化特性的实验研究,取得系列成果。最近研究组的盛冲博士制备了一种二维弯曲超材料,实现一种新型的具有轴向旋转对称的各项异性变换光学介质,旋转对称中心可以模拟一维时空拓扑缺陷: 宇宙弦。虽然宇宙弦不会像其他质量的天体在周围时空中直接产生引力场,但是会造成周围时空拓扑结构的改变,导致时空角度的缺损或盈余,光在这种拓扑时空中传播的时候,无论光子的入射位置、传播方向、波长、偏振方向如何,都会产生一个确定的偏转角Δ=8πGµ,偏转的角度数值只决定于宇宙弦的质量密度µ,这是宇宙弦拓扑时空鲁棒性的体现。对于负质量密度的宇宙弦µ0, 光线将被宇宙弦吸引。实验中,研究组通过调节结构参数,制备得到了对应负质量和正质量宇宙弦的光学芯片,并通过显微荧光探针技术直接观察到了光束经过拓扑缺陷产生的偏折,实验测量的偏折角度具有时空拓扑保护的鲁棒特性,与入射光束的位置、

    最近,物理学院该课题组的博士研究生盛冲,在刘辉教授的具体指导下,在集成光子芯片上,通过模拟广义相对论的引力透镜效应,实现了非欧弯曲时空中光子的波前控制。实验中,盛冲同学通过液滴的表面张力效应,制备出了一种模拟天体中心引力场的聚合物波导,并利用量子点荧光显微成像技术,直接观察到了光子波前在引力场弯曲时空中的传播过程。实验结果表明,这种模拟弯曲时空的光子芯片,不但可以实现非衍射的光束,而且还能模拟爱因斯坦环这种罕见的天文现象。该工作的实验部分是由南京大学课题组完成,以色列课题组协助进行了理论分析和数据处理。研究结果最近发表在Nature Communications 7:10747, DOI: 10.1038/ncomms10747 ,南京大学为第一作者单位。

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    www.85058.com,该项研究得到自然基金创新群体项目(No. 11321063)、杰出青年基金(No. 61425018)、国家重点基础研究发展计划(No. 2012CB933501 and 2012CB921500), 以及南京大学登峰人才计划B层次的资助。

    图二 二维弯曲超材料模拟负质量宇宙弦和正质量宇宙弦; 负质量宇宙弦排斥光束的实验结果; 正质量宇宙弦吸引光束的实验结果.

    (物理学院 科学技术处)

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