清華新聞網(wǎng)5月17日電 近日，清華大學(xué)物理系劉永椿研究組在單個(gè)諧振模式中利用反饋構(gòu)建了宇稱(chēng)-時(shí)間（PT）對(duì)稱(chēng)系統(tǒng)，并實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)線(xiàn)寬壓窄。
線(xiàn)寬是決定諧振系統(tǒng)（例如原子系綜、光學(xué)腔和機(jī)械振子）性能的關(guān)鍵因素之一。在精密測(cè)量和傳感領(lǐng)域，窄線(xiàn)寬系統(tǒng)具有更尖銳的共振峰，通常能夠檢測(cè)到更微弱的信號(hào)，對(duì)應(yīng)更好的測(cè)量靈敏度。因此，壓窄線(xiàn)寬對(duì)于提升精密測(cè)量系統(tǒng)的性能具有重要意義。
該工作提出在單個(gè)諧振模式中利用反饋構(gòu)造PT對(duì)稱(chēng)系統(tǒng)并實(shí)現(xiàn)壓窄線(xiàn)寬的方案。PT對(duì)稱(chēng)系統(tǒng)提供了一種控制增益和耗散以及調(diào)控系統(tǒng)線(xiàn)寬的有效方法，而之前實(shí)現(xiàn)PT對(duì)稱(chēng)的方法需要兩個(gè)或者更多個(gè)諧振模式，無(wú)法在只有單個(gè)諧振模式的系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)。該工作利用單個(gè)諧振模式中的兩個(gè)正交分量，通過(guò)測(cè)量-反饋回路，對(duì)其中一個(gè)正交分量進(jìn)行探測(cè)和反饋（圖1（b）），引入了等效增益，打破了單個(gè)耗散諧振模式中兩個(gè)正交分量的對(duì)稱(chēng)性，從而基于兩個(gè)正交分量構(gòu)建了PT對(duì)稱(chēng)系統(tǒng)。基于該P(yáng)T對(duì)稱(chēng)系統(tǒng)，通過(guò)調(diào)節(jié)反饋系數(shù)能夠調(diào)控系統(tǒng)的本征值，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)線(xiàn)寬的調(diào)控。
圖1.PT對(duì)稱(chēng)型反饋原理圖。(a)典型耗散諧振系統(tǒng)相圖。(b)PT對(duì)稱(chēng)型反饋系統(tǒng)示意圖。(c)相圖對(duì)比，PT對(duì)稱(chēng)系統(tǒng)（紅色實(shí)線(xiàn)），無(wú)耗散的厄米諧振系統(tǒng)（黑色虛線(xiàn)）。(d)-(e)：本征值實(shí)部和虛部隨反饋系數(shù)的變化。(f)-(g)：在PT對(duì)稱(chēng)和破缺區(qū)間，正交分量的時(shí)間演化
該工作在熱原子系綜中演示了PT對(duì)稱(chēng)型反饋方案。使用圓偏振光泵浦方法將原子系綜的自旋極化，極化自旋矢量繞z方向磁場(chǎng)做拉莫爾進(jìn)動(dòng)，xy平面上的自旋分量（Px、Py）構(gòu)成了有耗散的諧振模式。通過(guò)探測(cè)光穿過(guò)極化原子系綜的順磁法拉第旋光效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)正交分量Px的測(cè)量。將測(cè)量得到的信息加載到反饋磁場(chǎng)線(xiàn)圈，產(chǎn)生的反饋磁場(chǎng)作用到原子系綜，效果是在Px正交分量引入了增益，打破了Px、Py兩個(gè)正交分量的對(duì)稱(chēng)性，使得集體自旋振子成為了PT對(duì)稱(chēng)系統(tǒng)。
圖2.熱原子系綜實(shí)驗(yàn)裝置示意圖
在PT對(duì)稱(chēng)區(qū)間，通過(guò)反饋電阻控制反饋系數(shù)，可方便調(diào)節(jié)系統(tǒng)線(xiàn)寬，實(shí)現(xiàn)了線(xiàn)寬從654Hz減小到13.6Hz，對(duì)應(yīng)48倍的線(xiàn)寬壓窄效果。應(yīng)用到磁場(chǎng)測(cè)量上，實(shí)現(xiàn)了22倍的靈敏度增強(qiáng)。
該方案提供了在單個(gè)諧振模式中構(gòu)造PT對(duì)稱(chēng)系統(tǒng)的普適方法，為在單個(gè)諧振系統(tǒng)中研究非厄米物理以及應(yīng)用于精密測(cè)量開(kāi)辟了道路。
圖3.線(xiàn)寬和等效弛豫時(shí)間隨反饋系數(shù)變化的實(shí)驗(yàn)結(jié)果
研究成果以“宇稱(chēng)-時(shí)間對(duì)稱(chēng)反饋誘導(dǎo)線(xiàn)寬壓窄”（PT-Symmetric Feedback Induced Line width Narrowing）為題發(fā)表于《物理評(píng)論快報(bào)》（Physical Review Letters）。
論文第一作者為清華大學(xué)物理系2019級(jí)博士生唐原江，通訊作者為清華大學(xué)物理系劉永椿副教授。研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金委、科技部、清華大學(xué)低維量子物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、量子信息前沿科學(xué)中心和廣東省科技廳的資助。
論文鏈接：
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.130.193602
供稿：物理系
題圖設(shè)計(jì)：劉雨田
編輯：李華山
審核：郭玲
