复旦大学首次实现宇称-时间反对称性光学体系

对称破缺、无折射传播、非定域干涉与类四波混频

与固体体系中的PT对称实验类似，肖艳红课题组也观测到了体系中最重要的性质：对称破缺即相变现象。在相变前，两个光模式的谐振峰位置完全重合，相变后又彼此分开。与固体体系中不同的是，由于原子的量子态寿命较长，因此实现了频率精度在1赫兹级别的相变观测。在研究了以上基本特性之后，肖课题组还演示了该体系中如下新奇有趣的光学现象。

比如，一束光在经过不同的介质时，其折射率通常是不一样的。实验中，一束光经过折射率小于1的介质，另一束光经过折射率大于1的介质，它们所感受到的介质折射率是不同的。而构建了PT反对称的哈密顿量将这两种介质放在一起之后，在体系对称性破缺之前，两束光感受到的折射率均变为1，从而实现了无折射传播，尽管此时两个介质的折射率依然是不一样的。

另外，众所周知，在一般的两束光发生干涉的实验中，如传统的迈克尔逊干涉仪中，两束光在分光之后，最后在空间上必须再使之重合才能观测到干涉现象。 而本工作中，两束光之间能产生非定域干涉，即两束光在空间上最终不重合也能看到干涉现象，这是因为原子在“远程”传递这两束光之间的相互作用。

再者，传统的PT对称实验都是两个光模式之间的直接耦合，而热原子体系中的耦合是间接的，原子间的自旋波先发生耦合，再把耦合信息传达给光。正是由于中间多出的这一步，使得一些新颖的光学现象和光控制手段成为可能。比如在肖课题组的体系中，只需要改变光的旋性，就能实现整个体系从线性到非线性的转变，实现一种类四波混频的过程，这在一般的体系中是做不到的。

在反复尝试后找到出路

实验开始于2013年，“最开始是只有一个想法”，据该实验的第一作者，复旦大学物理学系的彭鹏介绍：“想在原子体系中也实现PT对称，看看结合原子体系的特点，能发生什么新现象。”

最初的实验方案是利用四波混频体系去模拟固体体系，因为四波混频能提供PT对称体系中所需要的增益。实验开展了近半年，进展缓慢，总是观测不到想要的现象。经过反复的理论修正、模拟、计算和验证，最终意识到目前所用的热原子体系和固体体系本质上耦合方式就是不同的，而利用热原子体系的耦合特点，更方便实现PT反对称体系(PT对称性在对目前体系进行修改后也能实现)。在认识到PT反对称和PT对称的对偶性之后，实验的整个方向就转移到了这上面。重新设计实验方案之后，进展也不顺利。由于是开创性的工作，没有先例可循，一切都只能靠摸索。课题在不断的失败中磕磕绊绊地向前。“最困难的时候，一周之内连续发现几个看似致命的问题”，文章的第二作者、博士生曹晚霞提到：“我当时都有点绝望了。”肖艳红教授说：“思想撞击是解决问题的最有效手段。为了解决一个问题，参与课题的同学们和我经常在办公室整天整天地不断讨论。我们课题组一直倡导平等活跃的学术气氛，老师和学生交流是完全对等的，学生都敢于质疑和反驳老师的看法，提出自己独特的见解。在整个实验的两年间，正是这些讨论使得我们在经过一个个‘此路不通’的尝试后最终找到了出路。”

肖艳红课题组的研究方向是原子精密光谱与精密测量，量子光学，量子纠缠和量子噪声控制。本项工作感谢来自国家自然科学基金委优秀青年基金， 国家科技部 973计划， 国家重点研发计划“量子调控与量子信息”重点专项，复旦大学应用表面物理国家重点实验室，以及复旦大学微纳光子结构教育部重点实验室等多方的经费支持。