LMA新文速递丨山西大学汪丽蓉教授、郑州大学陈刚教授:非厄米扭转光子晶格

莫尔超晶格及扭转体系是通过在两个周期结构之间引入特殊的相对扭转形成的人工结构，具有“人工设计”准周期势与平带结构，从而推动扭转电子学的迅速发展，并引发对超导、关联绝缘态等量子现象的广泛关注。作为扭转材料的光学类比，扭转光子晶格为调控光-物质相互作用及莫尔光子效应提供高度可调的平台，涵盖局域-离域转变、可重构激光、光束整形、平带与拓扑传输等丰富的物理过程。另一方面，非厄米物理描述包含增益与损耗的开放系统，能够产生PT对称破缺、奇异点与非互易传播等独特的光学效应。基于原子介质的相干性与可控性，可通过多能级结构精确调控折射率，并构建具有空间结构化增益/损耗的可调非厄米光子晶格。在相干原子系综引入非厄米效应并与扭转结构相结合，有望开辟超越传统体系的光场调控新途径，在厄米框架之外引入新的能带拓扑与局域行为，从而深化对光学能带与传输机制的理解。

研究团队以四能级N型原子系统为基础，通过将拉曼增益与非相干驻波光场的扭转叠加相结合，成功构建了光学诱导的非厄米二维扭转光子晶格，实现了对增益-损耗的动态调控，并在动量空间观测到光的定向局域。理论方面，团队系统模拟了不同参数条件下晶格的非厄米度及其能带演化。结果表明，非厄米度增强会导致能带在高对称M点附近简并，并产生局域平带，进而使光场在动量空间中表现出明显的定向局域特征。实验方面，研究人员利用液晶空间光调制器将两束非相干光分别调制成一维驻波，并以夹角θ在空间旋转后叠加，构建出二维莫尔型空间结构。高斯型探测光以斜入射方式激发特定能带结构，在电磁诱导透明效应的参数区间内对非厄米增益-损耗效应进行调控，最终，输出光场的动量空间图样展示出定向局域现象。

图1 (A) 非厄米扭转光子晶格原理示意图；(B) ⁸⁵Rb原子四能级N型结构图；(C) 晶格折射率实部与虚部空间分布。

图2 非厄米诱导的能带结构演化。(A) 增益格点折射率实部和虚部随失谐的变化；(B) 系统非厄米度随失谐的演化； (C-E) 不同失谐参数下沿高对称线的能带结构，插图为M点附近能带结构虚部的放大视图，(C1-E1)对应M点的场分布，(C2-E2) 对应动量空间中的强度分布。

为充分展示该非厄米扭转光子晶格的“瞬时可操控”特性，研究团队通过精确调节系统参数（如失谐与功率），在实验中清晰观测到定向局域态的动态演化过程。值得注意的是，局域度随参数变化趋势与增益-损耗系数的演化基本一致，表明定向局域的建立与非厄米增益/损耗调制密切相关。进一步分析表明，该定向局域态主要源于非厄米增益-损耗主导下形成的局域平带。由于平带具有无色散特性，群速度近乎为零，光的传播被显著抑制，最终使输出光在动量空间中的强度分布由原本的二维对称衍射图样逐步“坍缩”为一维的定向局域态。这一可控转变揭示了通过动态调节非厄米效应，可以在动量空间中实现可编辑的定向光束缚。此外，研究团队将晶格扭转角引入为新的调控自由度，实现了局域方向的动态可调。上述结果充分体现了晶格几何扭转与非厄米性之间的协同作用，使得二维光子系统中的光局域呈现出动态、可逆且具有角度依赖的特征。

图3. 控制光失谐驱动的离域到定向局域的转变。(A) 不同控制光失谐下信号场动量空间图像的实验观测结果；（B）定向局域化因子以及理论模拟的增益与损耗比随控制光失谐的演化。

图4. 扭转角对局域化方向的调控。(A) 扭转角θ ≠ 90°时非厄米扭转光子晶格示意图；(B) 在θ = 30°时晶格折射率实部和虚部的模拟空间分布；(C) 不同扭转角θ下定向局域化因子随控制光失谐的变化；(D) 不同扭转角θ的动量空间图像的实验观测结果。

综上所述，该工作的主要创新性体现在以下三个方面：一是在四能级N型原子体系中，通过两束非相干光场的空间扭转叠加，首次实现了具有增益-损耗分布的动态可调非厄米扭转光子晶格；二是将非厄米平带与光在动量空间中的演化行为直接关联，实验上清晰观测到光强从二维对称衍射图样向一维定向局域分布的“坍缩”过程，为非厄米平带诱导的光局域提供了直接证据；三是通过协同调控激光失谐、功率以及扭转角等系统参数，实现了定向局域“强度-方向”的双重动态调控，展示了一种几何构型与非厄米效应协同的全新光场调控自由度。该工作不仅揭示了扭转光子晶格的非厄米能带重构与几何扭转之间的非平凡相互作用机制，也为扭转光子结构中的光操控研究提供了一个灵活、可拓展的多功能平台。

该工作得到科技部重点研发计划、国家自然科学基金、山西省“1331”工程重点学科建设基金、光量子技术与器件全国重点实验室以及省部共建极端光学协同创新中心的支持。