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兰之队登《Nature》:奇妙拓扑性质, 增强光学传感灵敏度 精选

已有 3430 次阅读 2017-8-12 21:56 |系统分类:论文交流

中国科大校友杨兰教授(9200)研究组的研究成果于8月10日在《Nature》发表。该文章的第一作者陈伟健(0800)和第三作者赵洸铭(07203)均为中国科大校友。这项工作利用非厄米物理体系中的奇异点(exceptional points)附近的特殊拓扑特性来增强光学微腔传感器的灵敏度。

按:今天您一定注意到了“潘建伟三箭齐发”:继一个月之前登《Science》之后。8月10日在同一日连登两篇《Nature》的重磅新闻引爆中国。殊不知,9200杨兰率领中国科大小鲜肉组成“兰之队”今天同样刊文《Nature》。8月10日,中国科大人实现了另一意义的三箭齐发,一天两团队狂发三篇Nature!

光学微腔因其模式体积小品质因数高的特点,近年来被广泛应用在传感领域,譬如力学传感,磁场测量,微纳粒子探测。待测物理量与光学微腔相互作用后,引起光学微腔性质的改变,如谐振频率的移动。这些变化可用来作为传感信号。一般来说,光学微腔的响应与被测量的强度成线性关系。因而,当被测量很小时,光学微腔的响应也很小,可能会导致无法探测。文章作者通过利用广泛存在于非厄米系统中的奇异点,论证了一种新的传感模式,可以帮助解决上述困难。

实际物理系统或多或少包含了损耗或者增益,需要用非厄米哈密顿量来描述。通过改变相关参数,系统可以被调至非厄米简并点,又称为奇异点。在这个简并点上,系统的本征值与本征态都是简并的。这很不同于以往人们所关注的厄米系统。在厄米系统简并点上,仅有本征值是简并的,本征态却总是正交的。有理论证明,当一个光学微腔处于(二阶)奇异点时,其对于待测物理量的响应表现出奇特的性质,即响应信号强度与被测量强度的平方根成线性关系。因而,对于很小的被测量,处于奇异点的光学微腔与传统的微腔相比将具有更大的灵敏度。

在实验中,作者用两根纳米光纤锥调节光学微腔内模式之间的耦合,进而将微腔调至奇异点处。然后作者用第三根光纤锥作为待测物体,来研究处于奇异点的光学微腔对外界扰动的响应。通过调节光纤锥的大小以及与光学微腔倏逝场的重叠程度,待测量强度可以被精确控制。实验结果成功地验证了处于奇异点的光学微腔的响应信号与待测量强度的平方根成线性关系,并且与传统光学微腔的灵敏度做了比较。这项工作有望为光学微腔传感领域提供一个新的思路与技术手段。

杨兰教授研究组涌现了一批表现出色的中国科大青年学生。这已非她的学生发表突破性成果:2014年,她的博士生彭博(0502校友)和合作者在光信息处理器件研究方面取得突破性进展。当年4月6日,彭博为第一作者在《自然•物理》(Nature Physics)杂志上在线发表了题为《宇称时间对称的回音壁微腔》(Parity–time-symmetric whispering-gallery microcavities)的论文[1],并被《自然•物理》(Nature Physics)杂志以《从对称走来的不对称》(Asymmetry from symmetry)为题在“新闻与视点”(News&Views)栏目点评[2]。

彭博2005年进入中国科大物理系学习,2009年至今在华盛顿大学攻读电气工程博士学位。杨兰称赞彭博等中国科大学生“是素质非常高的学生。科大的本科教育为学生打下扎实的基础,培养了学生良好的习惯,我们科大的教育(不论在哪个时期)都是一流的。”新创校友基金会曾在圣路易斯拜会杨兰教授,杨兰表示她特别欣赏科大年轻校友的能力。

点击阅读原文Exceptional points enhance sensing in an optical microcavity

杨兰校友简介

杨兰,92少,1992年从湖南洪江一中考入中国科大少年班。于1997年获得中国科大学士学位,1999年获得中国科大硕士学位,2000年获得加州理工硕士学位,2005年获得加州理工博士学位。现在为圣路易斯华盛顿大学教授。2011年,获得美国青年科学家总统奖,这是美国青年科学家最高荣誉奖。

陈伟健校友简介

陈伟健2008年从安徽阜阳一中考入中国科大少年班,2012年获得物理学士学位,现在圣路易斯华盛顿大学攻读博士学位,期间获得电子工程硕士学位。

赵洸铭校友简介

赵洸铭2007年从天津耀华中学考入中国科大,2011年获得物理学士学位,现在圣路易斯华盛顿大学攻读博士学位,期间获得电子工程硕士学位。

杨兰的另一位中国科大高徒彭博(0502)也曾在顶尖杂志发表成果。彭博现为IBM博士后研究员。




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