4月20日，記者從中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)獲悉，該校郭光燦院士團(tuán)隊李傳鋒、許金時、韓永建等人將攜帶不同軌道角動量的光子(又稱為渦旋光子)束縛在簡并光學(xué)諧振腔內(nèi)，通過引入光子的自旋軌道耦合人工合成了一維的拓?fù)渚Ц瘢瑸橥負(fù)淞孔幽M開創(chuàng)了一種新的方法。研究成果4月19日發(fā)表在國際期刊《自然·通訊》上。

由于三維物理世界的限制，往往難以研究三維以上的物理系統(tǒng)的性質(zhì)及演化特性。研究人員提出可以通過人工合成維度的方式來解決。例如，在一個三維系統(tǒng)中引入兩個人工合成維度，就可以在該系統(tǒng)上研究五維的物理性質(zhì)。

渦旋光子攜帶的軌道角動量數(shù)目原理上可以無限，是構(gòu)建人工合成維度的理想載體。我國學(xué)者周正威教授研究組早在2015年就首次理論提出基于人工合成光子軌道角動量維度實(shí)現(xiàn)量子模擬的方案。李傳鋒、許金時等人在這一方向上進(jìn)行了長期的實(shí)驗探索，先后搭建了基于平面鏡、球面鏡和橢球面鏡的簡并光學(xué)腔，實(shí)現(xiàn)腔內(nèi)超過46階軌道角動量模式的諧振。在此基礎(chǔ)上，研究組創(chuàng)造性地在駐波簡并腔中引入具有各向異性的液晶相位片，實(shí)現(xiàn)腔內(nèi)渦旋光子軌道角動量和光子自旋的耦合。腔內(nèi)光子所攜帶的軌道角動量是整數(shù)分立的，與一維離散晶格相對應(yīng)。因此攜帶不同軌道角動量的光子可以等效為位于不同晶格格點(diǎn)上的準(zhǔn)粒子，并通過自旋自由度將具有不同軌道角動量的光子耦合起來，從而模擬粒子在不同晶格格點(diǎn)之間的來回躍遷。利用共振能譜探測技術(shù)，研究組直接刻畫了該自旋軌道耦合系統(tǒng)的態(tài)密度和能帶結(jié)構(gòu)。利用該實(shí)驗裝置優(yōu)異的可調(diào)諧性能，清晰展現(xiàn)了周期性驅(qū)動系統(tǒng)能帶打開和閉合的演化過程。研究組進(jìn)一步引入不同的演化時序，系統(tǒng)地研究了不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的特性并探測到拓?fù)淅@數(shù)。

這項成果驗證了利用渦旋光子固有自旋和軌道角動量作為人工合成維度的可行性，為研究豐富的拓?fù)湮锢硐到y(tǒng)提供了一個高度緊湊的實(shí)驗平臺。

(記者吳長鋒)