光子人工微结构中Exceptional Points附近的模式耦合及相关新特性研究

Based on engineered photonic structures, the proposed project aims to study the mode coupling and related new properties near exceptional points (EP). We will clarify the mechanism of mode coupling and achieve precise control of EP by carefully tuning microstructure, and then studies the non-Hermitian physics near EP with the use of interaction of electromagnetic wave with engineered photonic structures. The project mainly focuses on the following aspects: First, we will study the mechanisms and key parameters of engineered photonic structures in mode coupling to achieve precise control of the EP; Second, We will investigate the non-Hermitian physics near EP, including the topological structure of EP, the intrinsic chirality and resonance trapping of eigenstates, and the ultra-sensitivity of the scattering spectrum to loss and coupling; Finally, we will study the phase transition point in parity-time symmetric structures by comparing the transition point with EP in general non-Hermitian structures. We expect, based on the study of the project, to get better understanding of the EP-related novel effects in non-Hermitian systems which are difficult to study in original quantum systems, on one hand. On the other hand, the scientific research of the project may be important for potential applications of EP-related non-Hermitian effects in photonic and electromagnetic devices.

本项目以光子人工微结构为平台，研究在Exceptional points（以下简称EP）附近的模式耦合及相关新特新。项目的研究目标是通过仔细调整微结构参数，弄清电磁模式耦合的调控机制，实现对EP的精确操控，从而利用电磁波与光子人工微结构的相互作用，对EP附近新奇的非厄米物理效应展开研究，探索利用微结构进行电磁波调控的新机理。主要研究内容包括：人工微结构中模式耦合的调控机制和关键参量，实现对EP的精确操控；EP附近的非厄米物理效应，包括EP的拓扑结构，本征态的内禀手性和共振捕获，以及散射谱对损耗和耦合超灵敏的依赖关系；宇称-时间相变点的性质，及其与一般EP的区别和联系。通过以上研究，不仅可以加深对非厄米体系EP相关的诸多新物理效应的认识，而且可以帮助人们更好地利用各种电磁模式耦合，来调控电磁波的传播和与物质的相互作用。项目的研究成果不仅有重要的科学意义，而且对相关器件的应用有广泛的指导意义。

厄密系统中两个模式发生简并，要求这两个模式完全没有相互作用。一旦有相互作用，就会发生能级排斥（免交叉）。而在非厄米系统中，在一些情形下，即使是彼此相互作用的两个模式，也可以发生简并。满足非厄米简并的条件，就是参数空间上的Exceptional points (EP)。区别于厄密系统的模式简并，非厄米系统中两个模式发生简并时（处于EP时），不仅能量相同，本征态还发生了塌缩，即两个本征态塌缩成一个。近年来，在光学研究中，EP及相关的PT对称新概念，开始受到关注，提出了单方向隐身，相干完美吸收等新奇的光调控现象。但是，人们对这种新奇的非厄米模式简并的研究，此前还不多，特别是它在光子人工微结构研究中的科学意义和潜在应用，还认识的不够深入。.本项目围绕光子人工微结构中EP附近新奇的电磁模式耦合，通过理论和实验，研究了基于非厄米光子人工微结构的电磁波调控新效应。研究内容主要分为：调控光子人工微结构模式耦合的关键参量，实现对EP的精确超控；EP附近电磁响应对微扰的超灵敏依赖关系；基于非厄米和PT原理的新型无线传能系统。项目取得的重要结果有：（1）在无线电能传输系统的研究中，引入了PT对称和非厄米物理概念。提出将外部的入射波视为有效增益，成功构造三阶PT对称系统，改进了无线电能传输系统的稳定性和待机功耗。（2）利用没有物理增益的有效PT系统，实现了高阶EP，提出并研究了基于高阶EP的高灵敏度无线传感机制。（3）研究了EP附近模式的本征态能量对损耗的反常依赖关系，发现了损耗诱导的非线性双稳态。（4）研究了非厄米-拓扑关联调控，在一维准周期结构中同时观察到拓扑界面态和EP处的单方向无反射、SSH模型拓扑态对损耗的鲁棒性等。（5）研究了“谷光子”调控效应，利用梯度折射率的光子石墨烯，实验观察到布里渊区能谷之间的各向异性的朗道-齐纳-布洛赫振荡。对光子人工微结构在EP附近的模式耦合新效应的研究，不仅是传统厄密系统物理概念在非厄米系统中的延伸和推广，更重要的是发展了非厄米新物理的特有的科学和技术价值。