广义相对论研究宇宙的起源和天体运动获得巨大成功,最近,物理学院祝世宁教授、刘辉教授课题组与以色列理工学院的Segev教授组合作,利用爱因斯坦引力波方程与电磁理论中的对应关系,利用变换光学的方法,在光子芯片上成功地实现了的光波波前的调控,
为光子芯片光的操控提出了一种新的原理和方法。

十大网赌网站,正规赌博十大平台排行,宇宙起源是现代物理学的基本科学问题。虽然爱因斯坦广义相对论成功地描述了宇宙的演化,但是宇宙起源的时空奇点是需要量子力学来解释。因此,为了解释目前很多观测的宇宙现象,特别是早期宇宙起源,理论物理学家采用量子场论模型描述宇宙时空的性质,认为宇宙时空像是一种“凝聚态量子物质”,宇宙从大爆炸诞生、演化到现在,随着温度的降低,宇宙时空会经过一系列量子相变过程,这种相变会导致时空真空场的对称性破缺,而在宇宙中留下各种拓扑缺陷,例如磁单极子和宇宙弦等。通过探测这些时空的拓扑缺陷,人们不但可以追溯早期宇宙的诞生过程,而且观测量子引力效应和研究时空的本质。虽然人们已经开始尝试寻找时空拓扑缺陷,但由于人类太空量子探测技术的局限,目前尚未成功。另外,基于宇宙时空与凝聚态物质的类比关系,理论物理学家提出了变换光学的方法,主要是在凝聚态介质中通过连续改变物质的属性,模拟引力场弯曲时空,从而在实验上检验和演示各种弯曲时空中光子态的演化特性和量子效应,例如:光子黑洞、霍金辐射效应、宇宙膨胀红移等。

澳门十大赌场网址开户,光是世界上速度最快的信息载体,对光的捕获和操控,就成为人们孜孜追求的目标。南京大学物理学院刘辉教授所在的课题组,结合国家在光子集成方面的重大需求和超构材料国际前沿领域,在超构材料光子集成芯片研究方面率先提出纳米螺旋偏振器,用于调控光偏振信息;最早提出磁共振纳米波导,在纳米尺度下传递光信息;以及采用新技术制备光子黑洞微腔,实现高效率光子捕获与探测等,使得光信号的调制、传输、探测三个阶段获突破。

十大老品牌网赌网站,根据波动光学的惠更斯原理,光子在空间中的传播是通过光子波前的运动来描述。因此,如果我们能够控制光子的波前,就能控制光子的运动。最近几年,随着集成光学的发展,人们越来越需要在微小的光子芯片上控制光子波前,实现光子的操控。为此,人们提出了各种人工微结构材料实现光子波前控制,例如:光子晶体,超构材料,和金属表面等离激元等。

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十大网络赌博排行榜,超构材料是科学家模拟自然界中的材料,设计并制造的一种新型人工微结构材料。刘辉教授从事微结构光电功能器件与材料研究,在超构材料光子芯片方面,他和研究团队采用简单而巧妙的旋涂加热工艺,利用微球表面与聚合物薄膜接触的表面张力,在一块微小的光子芯片上,实现了折射率具有类似中心引力场分布的光学微腔。

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赌博信誉平台排行榜,图一 宇宙弦拓扑时空的嵌入图; 宇宙弦拓扑时空的角度缺损;
负质量宇宙弦对光线的排斥;正质量宇宙弦对光线的吸引。

结果证明,与黑洞周围引力场视界类似,这种微腔也存在一种临界半径,当光子的传播路径通过临界半径包围的区域,光子就会被微腔捕获,而当光子的传播路径在临界半径区域之外,光子不会被捕获,只是路径发生弯曲,实验结果与理论很好的符合。

最近,物理学院该课题组的博士研究生盛冲,在刘辉教授的具体指导下,在集成光子芯片上,通过模拟广义相对论的引力透镜效应,实现了非欧弯曲时空中光子的波前控制。实验中,盛冲同学通过液滴的表面张力效应,制备出了一种模拟天体中心引力场的聚合物波导,并利用量子点荧光显微成像技术,直接观察到了光子波前在引力场弯曲时空中的传播过程。实验结果表明,这种模拟弯曲时空的光子芯片,不但可以实现非衍射的光束,而且还能模拟爱因斯坦环这种罕见的天文现象。该工作的实验部分是由南京大学课题组完成,以色列课题组协助进行了理论分析和数据处理。研究结果最近发表在Nature
Communications 7:10747, DOI: 10.1038/ncomms10747
,南京大学为第一作者单位。

近些年,南京大学物理学院介电体超晶格实验室的祝世宁、刘辉研究组利用变换光学芯片,开展了弯曲时空中光子态演化特性的实验研究,取得系列成果。最近研究组的盛冲博士制备了一种二维弯曲超材料,实现一种新型的具有轴向旋转对称的各项异性变换光学介质,旋转对称中心可以模拟一维时空拓扑缺陷:
宇宙弦。虽然宇宙弦不会像其他质量的天体在周围时空中直接产生引力场,但是会造成周围时空拓扑结构的改变,导致时空角度的缺损或盈余,光在这种拓扑时空中传播的时候,无论光子的入射位置、传播方向、波长、偏振方向如何,都会产生一个确定的偏转角Δ=8πGµ,偏转的角度数值只决定于宇宙弦的质量密度µ,这是宇宙弦拓扑时空鲁棒性的体现。对于负质量密度的宇宙弦µ0,
光线将被宇宙弦吸引。实验中,研究组通过调节结构参数,制备得到了对应负质量和正质量宇宙弦的光学芯片,并通过显微荧光探针技术直接观察到了光束经过拓扑缺陷产生的偏折,实验测量的偏折角度具有时空拓扑保护的鲁棒特性,与入射光束的位置、

国际著名超构材料专家Leonhardt教授评价这个工作是第一次在光子芯片上,用简单的实验,精确而漂亮地演绎了爱因斯坦广义相对论所描述的部分思想。该成果2013年发表在Nature
Photonics国际光学期刊上;2014年,被美国物理学年会评为推荐报告,被中国激光杂志社评为2013年中国重要光学成果。与以前的大多数窄带共振光学微腔相比,工作中报道的非共振光学微腔具有宽波段特性,可以捕获较宽的连续波段内的光子,这也发展了光学微腔一种新的功能,可以应用于光子芯片上的宽波段激光器,光电探测,光伏器件等。

该项研究得到自然基金创新群体项目(No. 11321063)、杰出青年基金(No.
61425018)、国家重点基础研究发展计划(No. 2012CB933501 and 2012CB921500),
以及南京大学登峰人才计划B层次的资助。

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目前,刘辉和研究团队在光发射器方面,正努力将半导体发光材料集成在超构材料中,实现一种超小尺寸的光子芯片的纳米激光器。同时,研制将独立的光子器件集成在完整的超构材料光子芯片上,实现一个具有完整信息处理功能的超构材料光子芯片,并希望将他研制的超构材料光子芯片用于光子计算机。

(物理学院 科学技术处)

图二 二维弯曲超材料模拟负质量宇宙弦和正质量宇宙弦;
负质量宇宙弦排斥光束的实验结果; 正质量宇宙弦吸引光束的实验结果.

普通的光学介质在对光场进行操控的时候,总会改变光场的部分性质,让光场携带的信息丢失,例如最简单的光学反射会翻转光场的左右分布,
而普通天体引力透镜会导致光场的形变和发散,而宇宙弦拓扑时空中光场的传递是具有很好的鲁棒性,光场的分布被整体地保护起来,光信息的传递基本没有损失。为了进一步证明这种拓扑时空对光信息的无损传递特性,研究组将各种复杂光场耦入光学芯片中,例如多光束光场和Airy光束,实验结果显示光场在拓扑时空中传输,光场被很好地保护起来而没有被破坏。

根据当代量子宇宙模型,时空缺陷是在宇宙量子相变过程中,真空场自发对称性破缺所导致的结果。研究组通过在光学芯片中调节材料损耗系数来模拟时空的拓扑相变过程。结果表明当材料损耗较大,超材料表现为各项同性
,真空场处于对称相,时空无拓扑特性;当材料损耗降低至临界点以下,超材料表现为各项异性,真空场对称性自发破缺,时空具有非平庸拓扑特性。这些结果显示损耗可以做新的自由度在芯片上调控光子的拓扑性质。

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图三普通光学反射; 普通天体的引力透镜效应; 拓扑时空中光场的传输;
光学芯片中多光束传输实验; 光学芯片中Airy光束传输实验;
宇宙真空场的自发对称性破缺; 调节材料损耗模拟拓扑相变;
相变过程中超材料光学模式的改变与对称性破缺。

该工作近期发表在“Definite photon deflections of topological defects in
metasurfaces and symmetry-breaking phase transitions with material loss”
Nature Communications 9:4271 , 研究组博士后盛冲是第一作者,
厦门大学的陈焕阳教授参与理论分析,祝世宁院士参与了讨论和文章的修改,
南京大学是第一单位。该工作得到固体微结构物理国家重点实验室和人工微结构科学与技术协同创新中心的支持,国家自然科学基金重大项目光子态的时空演化与应用
(No.11690033)和科技部量子调控项目人工微结构中新奇量子、类量子效应研究
(No. 2017YFA0303702)的资助,在此表示感谢。

(物理学院 科学技术处)

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