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非厄米性增強(qiáng)磁測(cè)量靈敏度
2024-12-19
Observation of loss-enhanced magneto-optical effect
發(fā)表期刊
Nature Photonics
期刊號(hào)/卷
volume 19, pages109–115 (2025)
期刊鏈接
https://doi.org/10.1038/s41566-024-01592-y
研究背景
精密測(cè)量是前沿科學(xué)研究和高新技術(shù)的關(guān)鍵。提高測(cè)量靈敏度能極大促進(jìn)科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展。傳統(tǒng)厄米傳感器的響應(yīng)是信號(hào)的線性函數(shù)，描述其動(dòng)力學(xué)的哈密爾頓量在規(guī)范變換消除共同耗散后滿足轉(zhuǎn)置共軛對(duì)稱。開(kāi)放耦合系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)跟厄米系統(tǒng)有本質(zhì)不同。如果子系統(tǒng)的耗散或者增益不相同，其哈密爾頓量即使通過(guò)規(guī)范變換后也不再滿足轉(zhuǎn)置共軛。這種系統(tǒng)表現(xiàn)出奇特的非厄米動(dòng)力學(xué)特性，是近幾十年凝聚態(tài)、拓?fù)?、光學(xué)和測(cè)量領(lǐng)域的共同前沿。這種系統(tǒng)一般可以通過(guò)引入增益即放大來(lái)補(bǔ)償耗散。當(dāng)耦合達(dá)到特定強(qiáng)度即處于奇異點(diǎn)時(shí)，系統(tǒng)會(huì)發(fā)生宇稱——時(shí)間對(duì)稱性自發(fā)破缺和自發(fā)相變，系統(tǒng)的本征態(tài)會(huì)變得相同，本征值也會(huì)相等，即系統(tǒng)變成簡(jiǎn)并狀態(tài)?；诜嵌蛎孜锢碓O(shè)計(jì)的傳感器在奇異點(diǎn)附近的響應(yīng)是小信號(hào)的開(kāi)根號(hào)函數(shù)，相比厄米傳感器響應(yīng)能有量級(jí)提升，有潛力突破傳統(tǒng)厄米傳感技術(shù)的瓶頸而實(shí)現(xiàn)靈敏度指數(shù)提高，為基礎(chǔ)科學(xué)研究和測(cè)量技術(shù)提供一種新傳感范式。
受非厄米傳感技術(shù)在測(cè)量領(lǐng)域巨大潛在優(yōu)勢(shì)的驅(qū)動(dòng)，國(guó)際上，科學(xué)家們競(jìng)相發(fā)展各種新奇的非厄米傳感理論和器件，包括非厄米位移傳感器、非厄米陀螺儀和加速度儀等。但是前期研究都集中在演示指數(shù)增強(qiáng)的傳感響應(yīng)率，對(duì)靈敏度增強(qiáng)缺少實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。理論研究對(duì)非厄米傳感在測(cè)量靈敏度方面的優(yōu)越性存在極大爭(zhēng)議。最近實(shí)驗(yàn)和理論分析表明引入增益補(bǔ)償耗散的非厄米傳感器在奇異點(diǎn)附近會(huì)引入指數(shù)放大的噪聲，抵消響應(yīng)增強(qiáng)帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)。然而，實(shí)驗(yàn)和理論研究都關(guān)注的是有增益的非厄米系統(tǒng)，卻一致認(rèn)為只存在耗散的非厄米系統(tǒng)由于不能提取本征值等挑戰(zhàn)根本不具備測(cè)量靈敏度優(yōu)越性，直接將這類純耗散非厄米系統(tǒng)排除在討論之外。
研究簡(jiǎn)介
近日，南京大學(xué)夏可宇教授、陸延青教授團(tuán)隊(duì)與湖南師范大學(xué)景輝教授、中國(guó)科學(xué)院物理研究所劉伍明研究員及新加坡國(guó)立大學(xué)仇成偉教授團(tuán)隊(duì)合作，提出并實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了一種非厄米磁場(chǎng)傳感技術(shù)。通過(guò)在由兩個(gè)光學(xué)凹面鏡構(gòu)成的光學(xué)腔內(nèi)插入磁光材料和液晶“軟光子”材料，團(tuán)隊(duì)構(gòu)筑了一種只有耗散沒(méi)有增益的非厄米磁光系統(tǒng)，成功演示了非厄米磁光效應(yīng)，實(shí)驗(yàn)證實(shí)了非厄米傳感原理相對(duì)厄米傳感技術(shù)在響應(yīng)和測(cè)量靈敏度方面的巨大優(yōu)越性。
該成果發(fā)表在Nature Photonics上，題為“Observation of loss-enhanced magneto-optical effect”。本工作的完成單位為南京大學(xué)現(xiàn)代工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院、南京大學(xué)固體微結(jié)構(gòu)物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、合肥國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、湖南師范大學(xué)低維量子結(jié)構(gòu)與調(diào)控教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，國(guó)防科技大學(xué)量子科學(xué)與技術(shù)研究所，新加坡國(guó)立大學(xué)電氣與計(jì)算機(jī)工程系，中國(guó)科學(xué)院物理研究所北京凝聚態(tài)物理國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，南京大學(xué)物理學(xué)院。南京大學(xué)現(xiàn)代工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院副研究院阮亞平、博士后唐江山、新加坡國(guó)立大學(xué)電氣與計(jì)算機(jī)工程系博士后李志鵬為論文共同第一作者，通訊作者為南京大學(xué)現(xiàn)代工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院夏可宇教授、陸延青教授、湖南師范大學(xué)低維量子結(jié)構(gòu)與調(diào)控教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室景輝教授，中國(guó)科學(xué)院物理研究所北京凝聚態(tài)物理國(guó)家實(shí)驗(yàn)室劉伍明研究員、新加坡國(guó)立大學(xué)電氣與計(jì)算機(jī)工程系仇成偉教授。南京大學(xué)現(xiàn)代工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院吳浩東、周文鵬、肖隆奇、葛士軍，新加坡國(guó)立大學(xué)電氣與計(jì)算機(jī)工程系陳劍峰，南京大學(xué)現(xiàn)代工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院胡偉教授，南京大學(xué)物理學(xué)院張涵副教授為本工作做出了重要貢獻(xiàn)。
?? 科普小百科1：什么是“非厄米傳感器”？
非厄米傳感器是一種基于非厄米物理學(xué)的新型傳感器。傳統(tǒng)物理系統(tǒng)通常滿足厄米性，即其哈密頓量的特征值總是實(shí)數(shù)，描述的系統(tǒng)沒(méi)有能量損耗或增益。而非厄米系統(tǒng)則允許能量損耗或增益的存在，其哈密頓量的特征值可以是復(fù)數(shù)，廣泛存在于開(kāi)放系統(tǒng)中，如光學(xué)、聲學(xué)和量子系統(tǒng)等。
非厄米傳感器利用非厄米系統(tǒng)中的特殊現(xiàn)象——特征值的超靈敏性。在非厄米系統(tǒng)的“奇異點(diǎn)”（Exceptional Point，EP）附近，系統(tǒng)的特征值和特征態(tài)會(huì)對(duì)外部擾動(dòng)表現(xiàn)出非線性和高靈敏度。這種超靈敏特性可以顯著提升傳感器對(duì)微弱信號(hào)的檢測(cè)能力，比如對(duì)微小的力、溫度變化或折射率變化的探測(cè)。
簡(jiǎn)而言之，非厄米傳感器結(jié)合了量子力學(xué)、光學(xué)和非線性物理學(xué)的前沿知識(shí)，為設(shè)計(jì)高靈敏度探測(cè)設(shè)備提供了一種新的理論框架，在生物醫(yī)學(xué)檢測(cè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)和量子信息處理中具有廣闊應(yīng)用前景。
設(shè)計(jì)思路和工作原理
圖源：Nature Photonics
?? 科普小百科2：什么是“奇異點(diǎn)”？
奇異點(diǎn)（Exceptional Point, EP）是非厄米物理系統(tǒng)中的一種獨(dú)特現(xiàn)象，通常出現(xiàn)在哈密頓量的參數(shù)空間中。與傳統(tǒng)量子力學(xué)中的簡(jiǎn)并點(diǎn)不同，奇異點(diǎn)具有以下顯著特點(diǎn)：
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特征值和特征態(tài)的同時(shí)簡(jiǎn)并：在奇異點(diǎn)處，系統(tǒng)的兩個(gè)或多個(gè)特征值不僅相等，對(duì)應(yīng)的特征態(tài)也會(huì)“共軛”到一起，變得線性相關(guān)。這種現(xiàn)象在厄米系統(tǒng)中無(wú)法發(fā)生，但在開(kāi)放系統(tǒng)或非厄米系統(tǒng)中較為常見(jiàn)。
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非厄米性導(dǎo)致的特性：非厄米系統(tǒng)允許能量增益或損耗，因此其哈密頓量的特征值可以是復(fù)數(shù)。在參數(shù)調(diào)節(jié)的過(guò)程中，奇異點(diǎn)是特征值分支合并的特殊位置，其對(duì)應(yīng)的數(shù)學(xué)表現(xiàn)通常涉及根的高階分支點(diǎn)。
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極端的靈敏性：在奇異點(diǎn)附近，系統(tǒng)對(duì)外界擾動(dòng)表現(xiàn)出極高的靈敏性，即使是極小的變化也能引起顯著的系統(tǒng)響應(yīng)。因此，奇異點(diǎn)成為研究超靈敏傳感器的理論基礎(chǔ)。
-
廣泛的物理背景：奇異點(diǎn)不僅在非厄米光學(xué)系統(tǒng)（如增益和損耗耦合諧振器）中被發(fā)現(xiàn)，還在聲學(xué)系統(tǒng)、電路網(wǎng)絡(luò)和量子系統(tǒng)中得到了驗(yàn)證。
直觀理解：
可以將奇異點(diǎn)類比為“系統(tǒng)的平衡臨界點(diǎn)”，在這一點(diǎn)上，系統(tǒng)對(duì)外部信號(hào)異常敏感。通過(guò)在奇異點(diǎn)附近設(shè)計(jì)系統(tǒng)，人們可以實(shí)現(xiàn)高靈敏度的探測(cè)、增強(qiáng)波導(dǎo)性能或優(yōu)化能量傳輸。
奇異點(diǎn)的概念已成為非厄米物理學(xué)中的核心，并在光學(xué)傳感、激光技術(shù)、量子信息等領(lǐng)域顯示出廣闊的應(yīng)用潛力
研究亮點(diǎn)
?? 科普小百科3：什么是“磁光效應(yīng)”？
磁光效應(yīng)（Magneto-Optical Effect）是指光在磁場(chǎng)作用下，其傳播性質(zhì)（如偏振、傳播方向或強(qiáng)度）發(fā)生改變的一類物理現(xiàn)象。這種效應(yīng)源于光與材料中受磁場(chǎng)影響的電子之間的相互作用，廣泛用于光學(xué)、通信和磁存儲(chǔ)等領(lǐng)域。
主要類型的磁光效應(yīng)：
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法拉第效應(yīng)：當(dāng)線偏振光通過(guò)一個(gè)在磁場(chǎng)中放置的透明材料時(shí)，偏振面的方向會(huì)發(fā)生旋轉(zhuǎn)，這種現(xiàn)象稱為法拉第效應(yīng)。
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磁圓雙折射：磁場(chǎng)使得材料對(duì)左旋和右旋圓偏振光的折射率不同，導(dǎo)致雙折射現(xiàn)象。主要應(yīng)用于高精度光學(xué)測(cè)量。
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磁光克爾效應(yīng)：當(dāng)光線反射在磁化材料表面時(shí)，反射光的偏振狀態(tài)會(huì)發(fā)生變化（包括偏振面旋轉(zhuǎn)和橢圓化）
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塞曼效應(yīng)：原子或分子在外加磁場(chǎng)作用下，其發(fā)射或吸收的光譜線發(fā)生分裂的現(xiàn)象。這個(gè)效應(yīng)以荷蘭物理學(xué)家彼得·塞曼的名字命名，他在1896年首次觀察到這一現(xiàn)象。
形象類比：
磁光效應(yīng)的本質(zhì)在于磁場(chǎng)改變了材料中電子運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)，進(jìn)而影響了光與材料的相互作用。可以將磁光效應(yīng)類比于“光的指向標(biāo)”：磁場(chǎng)就像一種隱形的手，改變了光的傳播方向或偏振特性，讓光“聽(tīng)從指揮”。這一特性為現(xiàn)代光學(xué)技術(shù)提供了重要的工具，也推動(dòng)了磁性材料和光學(xué)器件的快速發(fā)展。
圖3：顯示了EP2傳感器在EP (a)接近EP (b)和遠(yuǎn)離EP (c)時(shí)的總傳輸光譜（上排為對(duì)數(shù)尺度，下排為線性尺度）
圖源：Nature Photonics
總結(jié)與展望
該研究構(gòu)建了一種電調(diào)控?zé)o源非厄米磁光系統(tǒng)，回答了非厄米物理中廣受關(guān)注的非厄米傳感系統(tǒng)在奇異點(diǎn)附近能否增強(qiáng)測(cè)量靈敏度的重要科學(xué)問(wèn)題。開(kāi)發(fā)的可重構(gòu)磁光器件演示了非厄米增強(qiáng)的測(cè)量靈敏度，并且有潛力與光子系統(tǒng)集成，為強(qiáng)磁場(chǎng)背景下進(jìn)行高靈敏度弱磁場(chǎng)探測(cè)鋪平了道路。該工作為未來(lái)磁光量子效應(yīng)、非厄米物理以及非厄米高靈敏度傳感器研究奠定了基礎(chǔ)。
論文信息