西安交大科研人員在光流體渦旋動力學方面取得新進展

2021-01-08 西安交大新聞網

光渦旋是一種具有量子化軌道角動量的拓撲缺陷，在高維度光通信、量子信息學、光力學、拓撲光子學等領域具有重要的應用價值。在具有非線性相互作用的光流體（如玻色愛因斯坦凝聚態和超導態）中產生的量子化渦旋承襲了光流體的非線性，展現出渦旋之間相互作用的物理現象。而線性光場中的渦旋，如自由空間中的高階高斯光束，則被普遍認為是沒有相互作用的。

近日，西安交通大學電信學部物理電子與光電子技術研究所李峰教授團隊發現在線性光流體中通過構造適當的光學勢能結構以及選擇合適的激發方式，即可創造出能夠展現相互作用特徵的渦旋，而其過程不需要非線性相互作用。

研究人員首先利用熱銣原子介質中的電磁誘導透明效應，通過三束光小角度幹涉構建了具有光學石墨烯結構的空間波導陣列。通過激發光學石墨烯的狄拉克錐點處的特定贗自旋，產生具有軌道角動量的光渦旋。研究人員發現，此類光渦旋在產生和演化過程中，其渦旋中心的運動軌跡呈現出擺線式、相互環繞等一系列看似相互作用的粒子才具備的特徵，然而這些特徵是源於光在石墨烯結構中的特定演化過程，與非線性相互作用無關。有趣的是，此類運動軌跡無法用動量空間中狄拉克錐點附近的狄拉克方程描述，而必須通過求解覆蓋整個動量空間的薛丁格方程才能準確描述。這一點完美反映了量子力學中的海森堡不確定原理：欲確定渦旋中心的準確位置及其軌跡，則需要考察更大範圍的動量分布及其變化。這項工作揭示了狄拉克方程在渦旋動力學應用中的局限性，建立了量子流體、奇點光學和拓撲光學之間的共同聯繫。

上述研究成果發表在國際頂級期刊《物理評論快報》（Physical Review Letters）上。李峰教授和張彥鵬教授為共同通訊作者，張朝陽副教授為第一作者，西安交通大學為該論文的第一完成單位，該項工作得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金等及多項歐洲科學基金的支持。

論文連結：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.122.233905

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