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)。近日，北京大學電子學院彭超團隊聯(lián)合中國科學院半導體研究所鄭婉華院士團隊和澳大利亞國立大學Yuri Kivshar院士團隊在《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的集體導模共振（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 集體導模共振

研究團隊從實空間與動量空間的傅里葉對偶性出發(fā)，設計了一種圓形邊界的有源光子晶體。在圓形邊界散射效應作用下，原本獨立傳播的多個光子晶體導模發(fā)生各向同性耦合，進而形成二重簡并的集體導模共振態(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。進一步，團隊利用非對稱泵浦技術破缺手性對稱性，實現(xiàn)了手性渦旋激光的單模激射。團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，同時也為構造實用的片上渦旋激光器提供了新方法。該論文于2025年7月1日發(fā)表在《Nature Nanotechnology》，詳情請見：https://www.nature.com/articles/s41565-025-01964-7。

北京大學電子學院博士生陳燁、中國科學院半導體研究所青年研究員王明金為共同第一作者，中國科學院半導體研究所鄭婉華院士、澳大利亞國立大學Yuri Kivshar院士、北京大學電子學院彭超教授為共同通訊作者。該工作得到科技部重點研發(fā)計劃，國家自然科學基金等項目的支持。

轉自：PKU電子學人

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