3月5日，华中科技大学武汉光电国家研究中心王健教授、陈林教授团队联合中佛罗里达大学Demetrios N. Christodoulides教授团队，在《光：科学与应用》（Light: Science & Applications）发表最新研究进展 Chiral transmission by an open evolution trajectory in a non-Hermitian system。

在时间-宇称对称或反时间-宇称对称的系统中，当本征值与本征态同时简并，奇异点出现。在该系统对应的哈密顿参量空间中，由于奇异点的拓扑特性，当参量的动态演化轨迹环绕奇异点时，输入、输出模式即可进行非对称的转换。此时系统的环绕方向，而非输入，决定其输出模态，且不同环绕方向的输出模态不相同。在之前大多数的研究工作中，为实现对称模与反对称模的非对称转换，通常需要借助时间-宇称对称的系统以及闭合的演化路径。同时，更具有应用潜力的对称破缺模式则在反时间-宇称对称的系统中实现非对称转换，但是其转换效率仅为4%，离实际应用相去甚远。

本工作跳出了之前闭合环绕奇异点的框架，在哈密顿参量空间中发现了两个无穷远点的本征态相同，即光场位于单波导内的收敛模式。因此一条连接这两个无穷远点的开放演化路径可能助力于这对渐进模式之间的转换。为了转换的非对称性，必须引入对特定本征模式的选择性损耗以实现非绝热跳变（图1）。在多波导耦合系统中，具体使用绝热耦合器引入对主波导中对称模式的损耗（图2）。仿真与实验结果均显示，当绝热耦合器引入的损耗逐渐增大时，模式转换的效果从对称逐渐过渡为非对称，且最高传输效率均接近1（图3）。

图1 收敛本征态和黎曼面上的系统演化模态。(a, b) 参量空间中的归一化本征态。(c, d) 前向和(e, f)后向的黎曼面上模式演化轨迹。

图2 实现非对称模式转换的耦合波导。(a) 耦合波导的结构示意图。(b, c) 波长为1550 nm的光从不同方向注入端口Ι时的电场仿真分布。

    图3 非对称传输的仿真及实验结果。(a-d) 器件的扫描电子显微镜图片及其局部放大图，(e) 引入不同损耗下的输出端口透过率谱线，(f, g) 仿真和实验中非对称模式转换的输出端口透过率谱线

该工作得到了国家自然科学基金、国家重点研发项目、深圳市科技创新委员会的资金资助。Demetrios N. Christodoulides的工作得到了AFOSR MURI的部分支持。 

文章链接：https://www.nature.com/articles/s41377-024-01409-1