光子合成频率维度上的多维带状结构光谱学
发布时间：2023-07-10 00:00:00.000Z
资料来源：范山辉
在光子合成维度中，光子的内部自由度，如频率、空间模式和轨道角动量的耦合，产生了除真实空间之外的额外维度。这种方法是一个强大的工具，可以利用在工程和控制方面具有优势的低维平台来研究高维系统所特有的新的物理现象。
高维物理学的许多非微不足道的方面可以通过带状结构测量来揭示。在光子合成频率方面，现有的带状结构测量仅限于一维布里渊区或二维或三维布里渊区的一维子集。
因此，需要一种能够在整个多维布里渊区进行带状结构测量的技术。受益于这种技术，研究人员可以对基础物理学有更全面的了解，并深入了解在高维体系中出现的独特行为。
在最近发表在《光： 科学与应用》中，由斯坦福大学的Shanhui Fan教授领导的团队报告了在光子合成频率维度上的这种多维带结构光谱学。研究人员使用一个动态调制下的光子谐振器作为实验平台。使用多个调制频率，在合成频率维度上用这个单一的谐振器创建了一个多维晶格。
为了测量这个晶格的带状结构，该谐振器被一个频率可调谐的激光器所激发，并由一个光电探测器收集随时间变化的传输信号。随着输入激光频率的摆动，从传输光谱中的共振特征中提取出带能。重要的是，通过调整不同调制频率之间的相对相位，研究人员可以解决整个多维布里渊区的晶格带结构。
利用这种多维带状结构光谱，研究人员测量了非赫米特系统的二维带状结构，并揭示了一些与非线性特征值拓扑有关的特性。这些特性特别引人注意，因为它们与非赫米特的趋肤效应有关，这是一种奇特的现象，即有限非赫米特系统的所有特征态都呈指数型位于边界上。
这些特性的证明使我们离利用非赫米特系统的潜力又近了一步。
研究人员的发现强调了多维带状结构光谱的重要性，它是探索高维系统奥秘的工具，最终推动物理学和工程学领域的进步。
研究人员评论说："合成维度的本质在于有可能扩大我们在高维物理学方面的工具箱。考虑到带状结构中蕴含的丰富物理信息，我们认为多维带状结构光谱学代表了这个方向的一个重要里程碑。它将促进我们对高维系统的理解和操作，并有可能为具有创新功能的光学设备提供灵感"。
研究人员还强调了他们的光谱方法在更复杂的系统中的可推广性。
参考资料
Dali Cheng et al, Multi-dimensional band structure spectroscopy in the synthetic frequency dimension, Light: Science & Applications (2023). DOI: 10.1038/s41377-023-01196-1
