清華新聞網(wǎng)7月3日電 近日，清華大學(xué)物理系劉永椿研究組在熱原子系綜里觀(guān)測(cè)到非厄米奇異點(diǎn)，并應(yīng)用于實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)測(cè)量靈敏度的提升。
非厄米奇異點(diǎn)（Exceptional point）是非厄米系統(tǒng)中特有的簡(jiǎn)并點(diǎn)，它與標(biāo)準(zhǔn)量子力學(xué)中的厄米簡(jiǎn)并點(diǎn)有很大的不同之處。近年來(lái)，其具有的獨(dú)特性質(zhì)引起了人們?cè)诶碚摵蛯?shí)驗(yàn)上的廣泛興趣。在厄米系統(tǒng)中，兩個(gè)簡(jiǎn)并的模式受到微小擾動(dòng)時(shí)，其能級(jí)的劈裂量正比于微擾強(qiáng)度，但是在非厄米奇異點(diǎn)處，其能級(jí)的劈裂量正比于微擾強(qiáng)度的平方根。當(dāng)微擾非常小時(shí)，非厄米奇異點(diǎn)處微擾導(dǎo)致的能級(jí)劈裂會(huì)遠(yuǎn)大于厄米簡(jiǎn)并情況，因此利用奇異點(diǎn)有望實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)的精密測(cè)量。
圖1.（a）原子能級(jí)示意圖。（b）非厄米哈密頓量三個(gè)本征值的實(shí)部在參數(shù)δ-J空間的分布。（c-d）實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到的本征值實(shí)部（c）和虛部（d）隨耦合強(qiáng)度J的變化圖，其中彩色點(diǎn)為實(shí)驗(yàn)獲得，線(xiàn)為理論計(jì)算結(jié)果
該工作提出在熱原子系綜里通過(guò)激光耦合控制能級(jí)耗散來(lái)構(gòu)造非厄米系統(tǒng)的方法。如圖1（a）所示，并利用激光（紅色箭頭）耦合激發(fā)態(tài)和特定的基態(tài)，為選定的基態(tài)構(gòu)造可控的耗散，因此三個(gè)基態(tài)（磁子能級(jí)）有著不同的耗散強(qiáng)度，再通過(guò)射頻場(chǎng)（藍(lán)色箭頭）將三個(gè)基態(tài)耦合起來(lái)，所形成的非厄米系統(tǒng)本征值和本征態(tài)在特定參數(shù)下會(huì)發(fā)生簡(jiǎn)并，如圖1（b）展示了三個(gè)本征值的實(shí)部在射頻場(chǎng)失諧δ和射頻場(chǎng)強(qiáng)度空間J中的分布。在實(shí)驗(yàn)上，通過(guò)測(cè)量得到系統(tǒng)本征值的實(shí)部（圖1（c））)和虛部（圖1（d）），獲得了系統(tǒng)的奇異點(diǎn)。
圖2.（a）光學(xué)偏振旋轉(zhuǎn)光譜劈裂隨微擾強(qiáng)度變化圖。（b）光學(xué)偏振旋轉(zhuǎn)光譜劈裂相比較于厄米情況的增強(qiáng)隨微擾強(qiáng)度變化圖
受限于系統(tǒng)的耗散，簡(jiǎn)并能級(jí)的劈裂很小時(shí)，往往不能夠被探測(cè)到。與通常利用光的透過(guò)率或者反射率來(lái)確定能級(jí)劈裂的方法不同，該工作利用熱原子系綜的光學(xué)偏振旋轉(zhuǎn)信號(hào)來(lái)檢測(cè)能級(jí)的劈裂。光學(xué)偏振旋轉(zhuǎn)信號(hào)不僅包含了光的吸收信息，也包含了光的色散信息，因此對(duì)能級(jí)的劈裂更加敏感。在實(shí)驗(yàn)上，對(duì)于相同的微擾，光學(xué)偏振旋轉(zhuǎn)譜的劈裂也表現(xiàn)出比吸收譜更大的劈裂信號(hào)，表明這種確定能級(jí)劈裂的方法更加有效。如圖2（a）所示，光學(xué)偏振旋轉(zhuǎn)譜的劈裂正比于微擾強(qiáng)度的平方根，并且相比較于相同參數(shù)的厄米簡(jiǎn)并情況，有一個(gè)數(shù)量級(jí)的提升（圖2（b））。
該工作不僅為研究奇異點(diǎn)和非厄米物理提供了一個(gè)新的可控平臺(tái)，而且為奇異點(diǎn)增強(qiáng)傳感器的設(shè)計(jì)提供了新的思路，在基于熱原子系綜的磁場(chǎng)和其他物理量的精密測(cè)量應(yīng)用方面開(kāi)辟了道路。
研究成果以“熱原子系綜里非厄米奇異點(diǎn)的觀(guān)測(cè)”（Observation of Exceptional Points in Thermal Atomic Ensembles）為題發(fā)表于《物理評(píng)論快報(bào)》（Physical Review Letters） ，并入選“編輯推薦（Editors' Suggestion）”，同時(shí)在“物理”網(wǎng)站中重點(diǎn)展示（Featured in Physics）。
物理系2018級(jí)博士生梁超為論文第一作者，劉永椿副教授為通訊作者。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.130.263601
供稿：物理系
編輯：李華山
審核：郭玲
