【儀表網 研發快訊】4月14日，《先進光子學》(Advanced Photonics)在線發表了物理學院超快光學團隊在合成時域晶格非厄米朗道-齊納隧穿的實驗測量方面取得的最新研究成果，文章標題為“Real-time measurement of non-Hermitian Landau-Zener tunneling near band crossings”。物理學院博士生趙藍鴿為論文第一作者，原我校博士后現東南大學副研究員王書林、物理學院青年教師秦承志副教授為共同第一作者；意大利米蘭理工大學Stefano Longhi教授、物理學院和武漢光電國家研究中心陸培祥教授、王兵教授為論文共同通訊作者。
朗道-齊納隧穿是一種普遍存在的量子現象，描述了多能級系統在外加強場驅動下發生于能級間的非絕熱躍遷現象。朗道-齊納隧穿在真實物理系統中會受到系統與環境之間相互作用的影響，耗散型非厄米體系中的朗道-齊納隧穿是凝聚態物理及量子信息等領域的核心問題之一。然而，在以往的工作中，人們大多關注隧穿幾率，少有對隧穿過程的研究。此外，非厄米朗道-齊納隧穿的研究大都局限于理論分析，其隧穿過程還有待進一步實驗研究。在實驗條件方面，由于一般的量子體系如超導量子比特構成的二能級系統等需要低溫環境，實驗設備昂貴。合成時域晶格具有結構參數和能帶可調的特性，便于人們研究各種實驗條件嚴苛的量子現象。尤其是可重構光子規范勢的引入，為合成時域晶格中構建等效電場提供了有效手段。而在高強度的等效電場驅動下，會發生朗道-齊納隧穿效應。于是，在合成時域晶格中研究朗道-齊納隧穿效應，既能夠在光學體系中實現復雜量子效應的觀測，也能在此基礎上設計如分束器、干涉儀等性能更加優越的光學器件。
圖1.(a)非厄米時域光子晶格示意圖；(b)參數空間中的復本征值；(c)不同損耗系數下本征值的實部和虛部；(d)不同損耗系數下的光脈沖演化。從左到右損耗系數分別為g= 0，0.1和0.6。
在這項研究中，團隊成員基于耦合光纖環路[圖1(a)]構造等效時域光子晶格，借助環路中的增益和損耗在晶格中引入非互易耦合，成功構建了非厄米時域光子晶格。該非厄米系統具有復數形式的本征值，其能譜在參數空間中展現出典型的奇異點[圖1(b)]，并給出損耗臨界值。當損耗小于該臨界值，能帶實部呈現回避交叉，虛部直接交叉；當損耗超過該臨界值，實部直接交叉，虛部是分離的[圖1(c)]。通過產生快速變化的等效矢勢，構建了高強度的等效恒定電場，在該電場的作用下，波包會在布里淵區的中心發生非厄米朗道-齊納隧穿效應[圖1(d)]。該隧穿過程不是瞬時發生的，而是存在一個瞬態的振蕩過程。研究人員對該過程進行截斷，在截斷點之前，波包演化為朗道-齊納隧穿過程，在截斷點之后，我們撤掉電場以保證波包絕熱演化，同時施加矢勢突變使波包同向傳播發生干涉。繼而利用干涉條紋提取波包在兩個能帶上的占比，從而得到了每個截斷點處的瞬時隧穿幾率[圖2(a)-(f)]。研究表明：隧穿幾率不依賴于損耗且與朗道-齊納模型給出的隧穿幾率一致。而損耗的主要作用是消除隧穿過程中帶占據數的振蕩，使得系統更快地到達穩態[圖2(g)-(i)]。該研究為在合成維度中構建非厄米晶格提供了新的思路，為探索非厄米系統中的物理現象提供了非常實用的平臺，在相干量子控制及光信息處理領域有潛在應用。
圖2.實驗中測得的非厄米朗道-齊納隧穿過程。(a)-(c)絕熱基下帶占有數隨步數的變化情況；(d)-(f)透熱基下帶占有數隨步數的變化情況；(g)-(i)損耗因子對非厄米朗道-齊納隧穿過程的影響。
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