集體振蕩是多個獨立諧振體在相互作用下共同形成整體振蕩的現(xiàn)象，其整體的諧振特性與單個諧振體存在著顯著差異，體現(xiàn)了諾貝爾物理學(xué)獎得主P. W. Anderson先生所述“多即不同”（more is different）的觀點。集成振蕩現(xiàn)象在光子、等離激元、量子等體系廣泛存在，一般用實空間中相互作用的諧振體系來構(gòu)造。然而，考慮到實空間和動量空間的傅里葉對偶性（Fourier Duality），集體震蕩有望在動量空間中引入相互作用來實現(xiàn)。2025年7月1日，北京大學(xué)電子學(xué)院彭超團(tuán)隊聯(lián)合中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所鄭婉華院士團(tuán)隊和澳大利亞國立大學(xué)Yuri Kivshar院士團(tuán)隊在Nature Nanotechnology發(fā)表了一項創(chuàng)新成果，觀測到了由邊界動量散射誘導(dǎo)的集體導(dǎo)模共振（collective guided resonance，CGR）現(xiàn)象，并利用非對稱泵浦破缺鏡面對稱性，成功實現(xiàn)了手性激光發(fā)射。
圖1 集體導(dǎo)模共振
研究團(tuán)隊從實空間與動量空間的傅里葉對偶性出發(fā)，設(shè)計了一種圓形邊界的有源光子晶體。在圓形邊界散射效應(yīng)作用下，原本獨立傳播的多個光子晶體導(dǎo)模發(fā)生各向同性耦合，進(jìn)而形成二重簡并的集體導(dǎo)模共振態(tài)（collective guided resonances，CGRs）。在保持鏡面對稱下，兩個簡并模式攜帶相反的手性渦旋。進(jìn)一步，團(tuán)隊利用非對稱泵浦技術(shù)破缺手性對稱性，實現(xiàn)了手性渦旋激光的單模激射。團(tuán)隊成功觀測了實空間中心處強度為零的渦旋光束，并通過偏振分布及自干涉測量證實渦旋中心處純粹相位奇點，體現(xiàn)為自干涉條紋呈現(xiàn)為一對朝向相反的“叉”（fork）型圖案。上述結(jié)果證實了激光光束攜帶非零的手性軌道角動量。
圖2 集體導(dǎo)模共振模式原理
圖3 手性渦旋激射特征
該研究解析了一類獨特的動量空間整體振蕩現(xiàn)象，為“多即不同”這一著名論斷提供了又一實例，同時也為構(gòu)造實用的片上渦旋激光器提供了新方法。
北京大學(xué)電子學(xué)院博士生陳燁、中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所青年研究員王明金為共同第一作者，鄭婉華、Yuri Kivshar、彭超為共同通訊作者。該工作得到科技部重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金等項目的支持。
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