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研究快讯 | PT对称性诱导的激光阈值环及嵌在环上的连续谱中束缚态

已有 324 次阅读 2021-8-6 05:55 |系统分类:论文交流

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原文已发表在CPL Express Letters栏目

Received 9 June 2021; 

online 3 August 2021


EXPRESS LETTER

PT Symmetry Induced Rings of Lasing Threshold Modes Embedded with Discrete Bound States in the Continuum

Qianju Song(宋前举), Shiwei Dai(戴士为), Dezhuan Han(韩德专), Z. Q. Zhang(张昭庆), C. T. Chan(陈子亭), and Jian Zi(资剑)

Chin. Phys. Lett. 2021 38 (8): 084203


文章亮点

本文首次研究了平板光子晶体中BIC和宇称时间(PT)对称性的相互作用。在PT对称扰动下,原来的BIC会转变为一类新型BIC (pt-BIC)。这些pt-BIC与原来BIC有很大的区别:具有各向异性的品质因子发散指数,并且能出现在布里渊区任意位置处。pt-BIC携带定量的拓扑荷,能够碰撞、产生或湮灭,并遵守拓扑荷的守恒律。此外,围绕原来的BIC会出现环状激光阈值模式,新产生的pt-BIC镶嵌在这些环上。


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从通常BIC处扩展出激光阈值环。上图:不考虑增益和损耗时,kx轴上存在3个BIC(黑点),对应携带确定量的拓扑荷。下图:在PT对称扰动下,BIC嵌在激光阈值环上。一对BIC远离高对称线,出现在布里渊区任意位置。


PT对称性诱导的激光阈值环及嵌在环上的连续谱中束缚态


研究背景

连续谱中束缚态(BIC)是近年来微纳光子学领域的研究热点之一。BIC是一类特殊的束缚态,即使其动量和频率与自由空间模式匹配,仍然具有发散的品质因子。从拓扑的观点来看,BIC可以用辐射场的偏振涡旋来表征,因此它携带确定量的拓扑荷。本质上来讲,BIC是非厄米哈密顿量中具有实频率的本征态,非厄米的来源是辐射损耗。然而非厄米不仅包含辐射,当增益和损耗同时引入时,系统的非厄米性会更加充分而深刻地展示出来。我们之前研究了具有PT对称性的增益/损耗对一维周期系统中BIC的影响,发现BIC仍然可以稳定存在 [详见:Sci. Adv. 6, eabc1160 (2020)]。因此,平板光子晶体中的BIC在PT对称扰动下是否能够稳定存在非常值得关注。由于平板光子晶体中的BIC可用远场偏振的拓扑荷描述,在PT对称的扰动下拓扑荷描述是否有效,以及PT对称平板光子晶体中其它导模共振的影响,都是非常有意义的问题。


内容简介

最近,重庆大学韩德专研究员和复旦大学资剑教授、香港科技大学陈子亭教授科研团队合作,首次研究了PT对称扰动对平板光子晶体中BIC的影响。发现原来的每个BIC都会转变为一类新型BIC (称之为pt-BIC)。这类pt-BIC与之前研究的BIC非常不同,它的品质因子发散指数在动量空间中呈各向异性。此外,非常特殊的是,这类pt-BIC可以移动到布里渊区任意位置处,而原来的BIC通常位于高对称线上。这些新奇的特性归因于PT对称性。pt-BIC也携带确定量的拓扑荷,并且遵循总荷的守恒律而产生或湮灭。除了pt-BIC之外,围绕原来的BIC,在动量空间中还会出现环状的激光阈值模式,并且pt-BIC嵌在激光阈值环上。基于时域耦合模理论,我们给出了pt-BIC和激光阈值模式的统一图像。


研究意义和重要性

简言之,pt-BIC具有各向异性的品质因子发散指数,并且能够出现在高对称线之外。PT对称性还能在动量空间中诱导出激光阈值环和多个不稳定的激光区域。这些现象表明平板光子晶体中的BIC与PT对称性的相互作用产生了新的物理现象,为新型BIC激光、超敏感探测等应用提供了新的思路。


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