近日,公司光电子智能器件与系统团队通过理论研究证明,不同于时间反演对称,时间空间联合反演对称(PT)对手性时域耦合模理论的耦合系数与背景散射矩阵有新的限制。相关研究成果以“Temporal coupled-mode theory for PT-symmetric chiral metasurfaces”为题发表在《Optics Letters》 (Optics Letters, 48, 5503, 2023) 。
对称性在物理学中占有非常重要的地位,基于波函数的统计诠释,Wigner 认为对称性变换只能是幺正变换或者反幺正变换,其中幺正对称性变换存在对应的守恒量,反幺正变换则不然。最近几年,非厄米物理系统(特别是PT对称的非厄米哈密顿量,PT为反幺正算符,P为空间反演算符,T为时间反演算符)得到科研人员的广泛关注,研究人员发现许多新的物理效应,例如异常点等。时域耦合模理论(TCMT)是研究光学系统,例如光子晶体平板、纳米天线和腔波导耦合系统,非常重要的理论工具。以前人们对TCMT的对称性考虑主要是基于能量守恒、时间反演和Lorentz互易。时间反演对称和互易意味着该系统没有增益和损耗,从而耦合系数与背景散射矩阵有很强的限制,而弱的增益或损耗可以作为一阶微扰考虑进TCMT。
图 (a) PT对称手性超表面结构。(b) 非厄米参数为0.05时手性时域耦合模理论与有限元方法计算的透射谱。(c) 复平面交叉透射系数的振幅。(d) 复平面交叉透射系数的相位。
该团队利用手性TCMT研究PT对称超表面手性相互作用的过程中,发现单独的时间反演对称考虑是不足以描述PT对称系统的,PT对称算符对耦合系数与背景散射矩阵给出新的约束关系。为验证该关系,团队设计一个PT对称超表面,如图(a)所示。在研究波长范围内,超表面能激发手性连续谱中的束缚态(BICs),首先利用准模理论和格林函数计算出时域耦合模理论中的耦合系数,然后利用该关系导出背景散射系数,从而计算整个散射矩阵,理论结果与有限元数值计算结果高度一致,如图(b)所示。手性TCMT可以直接解析延拓到复频率平面,其复平面的交叉圆透射系数的振幅如图(c)所示,清楚地显示共振极点的位置。交叉圆透射系数的相位如图(d)所示,可以看出共振极点是复频率空间的拓扑缺陷,即相奇异,其拓扑荷为-1。
该工作为研究非厄米超表面增强的手性共振作用提供了理论基础。bv伟德国际体育为论文第一单位,bet伟德官方网站陈小林老师为论文第一作者,高伟清教授为论文通讯作者。该工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金和bv伟德国际体育中央高校业务费等项目的支持。
文章链接:https://doi.org/10.1364/OL.505451
(陈小林/图文 高伟清/审核)