北理工在光學(xué)多體問題研究方面取得重要進(jìn)展

發(fā)布日期：2021-03-22 供稿：物理學(xué)院

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日前，北京理工大學(xué)物理學(xué)院張向東教授課題組青年教師陳宇輝研究員同瑞典隆德大學(xué)、新西蘭奧塔哥大學(xué)的研究者開展合作，在光學(xué)多體問題研究上取得重要進(jìn)展，首次在實(shí)驗(yàn)上發(fā)現(xiàn)了光學(xué)非平衡多體系統(tǒng)中存在本征不穩(wěn)定相，相關(guān)研究成果發(fā)表在國際頂級期刊《物理評論快報(bào)》上。

多體問題因其豐富的內(nèi)涵，廣泛的應(yīng)用前景，一直以來都是凝聚態(tài)物理研究的重點(diǎn)內(nèi)容，在熱學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)等領(lǐng)域產(chǎn)生了包括超流體、超導(dǎo)、鐵磁等影響深遠(yuǎn)的研究方向。然而，對于光驅(qū)動的多體問題，由于光學(xué)系統(tǒng)天然就是一個(gè)非平衡體系，同時(shí)又是一個(gè)存在輸入輸出的開放系統(tǒng)，其復(fù)雜度更甚于傳統(tǒng)的多體問題，因而導(dǎo)致了人們在光學(xué)多體問題的理解上遠(yuǎn)不如熱學(xué)、電學(xué)和磁學(xué)的多體問題。目前，僅有一般的純吸收相和本征雙穩(wěn)相等少數(shù)光學(xué)多體問題本征相被人們所發(fā)現(xiàn)。

另一方面，隨著光子技術(shù)對日常生活影響的不斷加深，人們對高亮度光源和強(qiáng)非線性開關(guān)等器件的需求愈發(fā)突出，而這些器件又依賴于光學(xué)多體系統(tǒng)來增強(qiáng)光和物質(zhì)的相互作用，對光學(xué)多體系統(tǒng)本征相的研究由于在應(yīng)用上巨大潛力又重新引起了人們的關(guān)注。

圖1 光學(xué)多體系統(tǒng)本征不穩(wěn)定相的實(shí)驗(yàn)觀測結(jié)果。（a）和（c）為實(shí)驗(yàn)裝置，（b）和（d）為透射譜的測量結(jié)果。

團(tuán)隊(duì)成員在研究高濃度鉺離子摻雜YSO 晶體的透射實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，由于鉺離子之間的偶極相互作用，此時(shí)體系的響應(yīng)不再具有時(shí)間不變性（time invariance），其光學(xué)響應(yīng)不能用一個(gè)時(shí)域上穩(wěn)定的函數(shù)來表示，這一相互作用相被稱為光學(xué)本征不穩(wěn)定相（Intrinsic Optical Instability）。對于具有不穩(wěn)定性的光學(xué)體系來說，傳統(tǒng)理論和實(shí)驗(yàn)一般都認(rèn)為需要外加的正反饋才可以實(shí)現(xiàn)，例如在光學(xué)諧振腔中的光學(xué)混沌；但是在這些傳統(tǒng)體系中，系統(tǒng)的響應(yīng)函數(shù)仍然是具有時(shí)間不變性的，整體輸出的不穩(wěn)定性源于輸入信號的微弱偏差在正反饋過程中不斷被放大。然而，團(tuán)隊(duì)成員的研究揭示了材料體系本身就存在著一個(gè)本征的不穩(wěn)定相，此時(shí)系統(tǒng)的響應(yīng)函數(shù)是不具有時(shí)間不變性的；即使輸入信號絕對穩(wěn)定，也不會對應(yīng)一個(gè)穩(wěn)定的輸出，與一般的光學(xué)混沌等現(xiàn)象存在本質(zhì)的區(qū)別。光學(xué)本征不穩(wěn)定相是由量子力學(xué)中的多體相互作用導(dǎo)致。

該工作北京理工大學(xué)為第一單位，物理學(xué)院陳宇輝研究員和瑞典隆德大學(xué)Sebastian Horvath博士為該工作共同第一作者，陳宇輝研究員和張向東教授為通訊作者。該工作得到了國家自然科學(xué)基金，北京理工大學(xué)青年教師學(xué)術(shù)啟動計(jì)劃以及北京理工大學(xué)青年科技創(chuàng)新計(jì)劃的支持。

北理工在光學(xué)多體問題研究方面取得重要進(jìn)展

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