基于宇称-时间对称的量子仿真及其光场调控应用

We propose to introduce the concept of parity-time (PT) symmetry into optical science. With advances in PT symmetry, we can modify the physical picture of many quantum effects of condensed matter and quantum optics, and produce many novel optical effects. With the utilization of optical nanostructures such as metamaterials and metasurfaces, these PT-related effects could render interesting applications than that could contribute to the advances of optical manipulation. This project is a theoretical one with experimental effort. Supported by this project, we expect to publish 8 high-index papers in the coming 4 years, and supports 2 Ph. D. and 4 Master graduates.

利用并拓展光学宇称-时间对称（parity-time symmetry，简称PT）概念，以量子光学和凝聚态中诸多量子效应为基础，进行物理图像的扩展，提出具有原创性的新概念和新原理；以基于量子-光学类比的量子仿真为基本思路，通过微纳结构的设计，在超材料（metamaterials）和超表面（metasurfaces）中展示新效应，发现光场调控新方法；以新物理和新机制为基础，积极操控光与微纳结构的相互作用；以实际应用为导向，推动重大应用的提出与展示。光学PT对称的引入必然会对基于量子-光学类比的量子仿真研究以及光场调控应用发挥积极作用。实施中将以若干关键问题为着重，以理论为主，实验为辅，力图形成良好的互动。随着本项目开展，有望在相关研究方向做出一批有影响、有特点的成果，在这一国际竞争十分激烈的研究领域占有一席之地。计划发表高水平学术论文8 篇，培养博士生2名、硕士生4名。

本项目利用并拓展光学宇称-时间对称（parity-time symmetry，简称PT）和奇异点（exceptional points, 简称EPs）概念，以量子光学和凝聚态中诸多量子效应为基础（例如连续谱中的局域态bound states in the continuum, 慢光 slow lights等），进行了物理图像的扩展，解决了若干悖论（特别是光学群速度的定义和理解），提出了若干具有原创性的新概念和新原理；以基于量子-光学类比的量子仿真为基本思路，通过微纳结构的设计，结合光学非线性，在超材料（metamaterials）和超表面（metasurfaces）中展示了光学新效应，发现了光场调控新方法，用于积极操控光与微纳结构的相互作用。本项目通过光学PT对称和EP点的引入，对基于量子-光学类比的量子仿真研究以及光场调控应用发挥了积极作用。实施中本项目以若干关键问题为着重，以理论为主，实验为辅，形成了良好的互动。随着本项目开展，在非厄密光学、光学超表面等相关研究方向做出一些有特点、有一定影响的成果。在4年执行期，课题组克服了新冠疫情的影响，努力的按照计划、积极有序的开展相关科研工作。充分发挥了现有研究体系的优势和经验的积累，扩展研究方向，开展具有自己特色和优势的工作。截至2022年12月，在相关方面的高水平学术期刊上已发表了系列文章共12篇（包括1篇Phys. Rev. Lett和8篇Opt. Express）。项目在实施过程中，人才培养成果突出。已毕业博士2名（刘芳，目前南开大学实验师；张丽芙，目前南开大学博士后），硕士3名（张艳荣、孙林山、赵博，均在美国受全额奖学金支持攻读博士学位)。目前还有1名博士、2名硕士在读。