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吴紫辉课题组在光捕获和光束缚的非厄密性方面取得最新进展

近日,南方科技大学理学院物理系副教授吴紫辉课题组在光捕获和光束缚的非厄密性方面取得重要进展,相关研究成果以“Non-Hermitian physics for optical manipulation uncovers inherent instability of large clusters”为题,发表在学术期刊Nature Communications上。  


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        光捕获和光束缚分别在1969年和1989年被研究人员发现。从那时起,它们便在许多学科领域中引起了广泛而持续的关注,其中包括生物学、胶体科学,以及其它牽涉到小颗粒操控的领域。光捕获的先驱,亚瑟·阿什金(Arthur Ashkin),也因发明光镊而获得2018年诺贝尔物理学奖。非厄密物理学作为一个新兴的领域,最近也引起了很多学者的研究兴趣。而吴紫辉课题组将这两个看似无关的主题相互关联,通过应用非厄密理论来研究光捕获和光束缚,使我们看到物理研究的新方向,并对这个有着数十年历史的领域有了更深入的理解。

光束缚是指多个粒子之间的散射光所造成的光力将其稳定束缚成某一粒子结构的现象。一个被广为接纳的理论表明,在光的作用下,粒子会寻找和形成一种在能量上有利的结构,并被称为“光学分子”甚至“光学物质”。情况就像电子束缚一般材料一样。然而,与厄密的电子束缚不同,非保守光束缚是非厄密的,传统的理论并不适用。因此,吴紫辉课题组在光束缚系统中考虑到非厄密性,并发现了奇异点的存在,即振动谱中的奇点。它意味着从稳定到不稳定的对称破缺相变。在此过程中振动频率变更为复数,并允许光“泵入”能量并“熔化”粒子结构。更重要的是,对于足够大的粒子团簇,系统总是会达到不稳定阈值。因为随着粒子数目增多,振动谱将接近简并,很小的非厄密耦合便能驱动系统通过奇异点,且这一过程与细节无关。简而言之,仅仅依靠光力无法稳定束缚较大的粒子团簇。实验中观测到的稳定光束缚不能仅通过光力来实现,辅助的背景阻尼力也是必要的条件。因此,对于大的粒子团簇,“光束缚”最好被称作“光力-流体动力束缚”。事实上,这里较大的粒子团簇指的只是具有约10个或更多粒子的团簇。这里非厄密性是关键,其物理起源是入射光和辐射损耗。粒子并不总是处于能量有利于稳定的位置,因为当两个振动频率几乎简并时,非保守力将作为一个能量泵,激发并破坏粒子团簇的稳定性。

吴紫辉课题组的这一理论,一方面取代了旧的光捕获和光束缚理论,另一方面也扩展了非厄密物理学的研究领域。这里需要强调的是这项工作与已发表的所有实验结果一致。课题组所开发的理论和数学模型可以应用于任何具有空间位置上非保守力(positional non-conservative force)的开放系统,其中包括声力和其他受辐射束缚的系统。


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图1:单一粒子光捕获系统中的奇异点。(a)介电粒子的光捕获示意图。(b) Ki, 力矩阵的本征值与偏振()的关系。从线偏振(=0)到圆偏振()。紫色叉叉表示奇异点出现的位置。光捕获在奇异点左(右)边是稳定(不稳定)的。(c)稳定性也依赖于粒子大小。


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图2:随着粒子数目的增加,复数不稳定模式普遍存在。(a)在(b)到(g)中所考虑的几何结构下,复数不稳定模式的百分比随着粒子数目的增加而增加,这意味着大的光束缚团簇结构本质上是不稳定。


 吴紫辉课题组博士后李肖为论文第一作者,完成了仿真、分析数据等主要内容,厦门大学电子科学与技术学院助理教授刘益能完成了早期仿真模拟工作,复旦大学物理系教授林志芳开发了这一工作所用到的主要程序,香港科技大学物理系讲席教授陈子亭发起并监督完成了这一项目。吴紫辉是论文通讯作者,南科大是论文第一单位。

 以上研究受到国家自然科学基金、深圳自然科学基金、香港RGC和香港裘槎基金会的大力支持。

 

论文链接:https://www.nature.com/articles/s41467-021-26732-8 

 



供稿:物理系

通讯员:许馨文

主图:丘妍