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仪表网 研发快讯】4月14日，《先进光子学》(Advanced Photonics)在线发表了物理学院超快光学团队在合成时域晶格非厄米朗道-齐纳隧穿的实验测量方面取得的最新研究成果，文章标题为“Real-time measurement of non-Hermitian Landau-Zener tunneling near band crossings”。物理学院博士生赵蓝鸽为论文第一作者，原我校博士后现东南大学副研究员王书林、物理学院青年教师秦承志副教授为共同第一作者；意大利米兰理工大学Stefano Longhi教授、物理学院和武汉光电国家研究中心陆培祥教授、王兵教授为论文共同通讯作者。
朗道-齐纳隧穿是一种普遍存在的量子现象，描述了多能级系统在外加强场驱动下发生于能级间的非绝热跃迁现象。朗道-齐纳隧穿在真实物理系统中会受到系统与环境之间相互作用的影响，耗散型非厄米体系中的朗道-齐纳隧穿是凝聚态物理及量子信息等领域的核心问题之一。然而，在以往的工作中，人们大多关注隧穿几率，少有对隧穿过程的研究。此外，非厄米朗道-齐纳隧穿的研究大都局限于理论分析，其隧穿过程还有待进一步实验研究。在实验条件方面，由于一般的量子体系如超导量子比特构成的二能级系统等需要低温环境，实验设备昂贵。合成时域晶格具有结构参数和能带可调的特性，便于人们研究各种实验条件严苛的量子现象。尤其是可重构光子规范势的引入，为合成时域晶格中构建等效电场提供了有效手段。而在高强度的等效电场驱动下，会发生朗道-齐纳隧穿效应。于是，在合成时域晶格中研究朗道-齐纳隧穿效应，既能够在光学体系中实现复杂量子效应的观测，也能在此基础上设计如分束器、干涉仪等性能更加优越的光学器件。
图1.(a)非厄米时域光子晶格示意图；(b)参数空间中的复本征值；(c)不同损耗系数下本征值的实部和虚部；(d)不同损耗系数下的光脉冲演化。从左到右损耗系数分别为g= 0，0.1和0.6。
在这项研究中，团队成员基于耦合光纤环路[图1(a)]构造等效时域光子晶格，借助环路中的增益和损耗在晶格中引入非互易耦合，成功构建了非厄米时域光子晶格。该非厄米系统具有复数形式的本征值，其能谱在参数空间中展现出典型的奇异点[图1(b)]，并给出损耗临界值。当损耗小于该临界值，能带实部呈现回避交叉，虚部直接交叉；当损耗超过该临界值，实部直接交叉，虚部是分离的[图1(c)]。通过产生快速变化的等效矢势，构建了高强度的等效恒定电场，在该电场的作用下，波包会在布里渊区的中心发生非厄米朗道-齐纳隧穿效应[图1(d)]。该隧穿过程不是瞬时发生的，而是存在一个瞬态的振荡过程。研究人员对该过程进行截断，在截断点之前，波包演化为朗道-齐纳隧穿过程，在截断点之后，我们撤掉电场以保证波包绝热演化，同时施加矢势突变使波包同向传播发生干涉。继而利用干涉条纹提取波包在两个能带上的占比，从而得到了每个截断点处的瞬时隧穿几率[图2(a)-(f)]。研究表明：隧穿几率不依赖于损耗且与朗道-齐纳模型给出的隧穿几率一致。而损耗的主要作用是消除隧穿过程中带占据数的振荡，使得系统更快地到达稳态[图2(g)-(i)]。该研究为在合成维度中构建非厄米晶格提供了新的思路，为探索非厄米系统中的物理现象提供了非常实用的平台，在相干量子控制及光信息处理领域有潜在应用。
图2.实验中测得的非厄米朗道-齐纳隧穿过程。(a)-(c)绝热基下带占有数随步数的变化情况；(d)-(f)透热基下带占有数随步数的变化情况；(g)-(i)损耗因子对非厄米朗道-齐纳隧穿过程的影响。
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