金沙精密光谱科学与技术国家重点实验室武海斌教授的研究团队首次实现纯耗散耦合诱导的声子激光。这是一种反直觉的产生声子激光的新方法，普通激光由相干产生增益放大，这里新的机制是由耗散耦合系统通过非厄米的相变产生，具有新奇的相跃迁和关联特性，对研究基于非厄米的微纳体系的非平衡热力学和精密测量有重要意义。该研究成果于2022年12月20日以“Dissipative coupling-induced phonon lasing”为题发表于《美国科学院院刊》（PNAS）。金沙为论文的完成单位，博士研究生张乾坤为该工作第一作者，盛继腾研究员和武海斌教授为论文的通讯作者。

武海斌教授团队研究成果在PNAS发表

激光与普通光源相比具有单色性好、相干性好、方向性好、亮度高等优势，是20世纪人类的重大发明之一，被称为“最快的刀”、“最准的尺”、“最亮的光”。声子激光作为光学激光的相对应，有望应用于精密测量、信息处理以及量子物理等方面的研究，引起了人们极大的兴趣。然而目前绝大多数实现声子激光的方法都是基于直接的相干泵浦。与直接相干耦合不同，耗散耦合在开放复杂系统中普遍存在，与非厄米性和对称性密切相关，可引发许多非凡的物理现象，例如非互易热输运、手性动力学、超灵敏传感等。直观理解，耗散不利于声子激光产生。基于双微纳振子腔光力实验平台，利用腔内光场的辐射压力实现两个振子的纯耗散耦合，通过非厄米相变，实现了耗散耦合诱导的多模声子激光。研究成果提供了一种在非厄米开放系统中研究声子激光的新方法，可以广泛应用于光学、声学和量子多体物理等多个研究领域。  

(A)实验装置图；(B)物理模型示意图

实验中，在光学腔内放置两片微纳尺度的氮化硅薄膜，两个机械振子分别与共同的耗散通道（即光学腔场）通过辐射压力相互作用，使两个空间分离的机械振子之间的有效相互作用为耗散耦合。为了实现纯耗散耦合，需要满足三个重要条件：（1）机械振子的频率和衰减率需要精心设计；（2）光场需要被调制；（3）激光相对于光学腔的频率失谐需要精确调节。

该系统表现出非厄米特性，可研究反宇称时间对称（PT）破坏现象。通过增加耗散耦合强度，耦合系统特征值的虚部在通过奇异点（EP）后分叉。当其中一个杂交模式超过激光阈值，两个机械振子同时进入声子激光态。EP和声子激光阈值可以清楚地观察到并精确调控。强耗散耦合系统的特征表现为能级吸引和阻尼排斥，这与相干耦合的能级排斥正好相反。通过测量二阶声子相关函数可以精确区分不同的相，分别表现出在EP之前的振荡行为、EP和激光阈值之间双指数函数以及阈值之后的相干特性。我们还证明，精确调控机械振子的衰减对于观察能级吸引和反PT对称性至关重要。实验结果为研究非厄米系统中的多模声子激光提供了一条新途径，表明耗散可以是控制开放复杂系统中相互作用的有用资源。  

(A-C)分别为耗散耦合强度较弱时测得的机械振子功率谱以及对应的实部和虚部；(D-F)分别为耗散耦合强度较强时测得的机械振子功率谱以及对应的实部和虚部 

(A,B) 二阶声子相关函数g(2)(0)和Fano因子随耦合强度的关系；(C)不同耦合强度下测量的声子统计分布；(D)不同区间的g(2)(t)

武海斌研究团队聚焦腔光力学当前重要的前沿科学领域，在宏观尺度上验证量子力学基本问题，研究高精度精密测量量子传感、微纳量子光学重要物理，以及发展宏观尺度的量子器件等。该团队通过发展控制高品质因子薄膜振子频率的新技术，在国内率先实现了双薄膜腔光力实验平台[Phys. Rev. A 99, 023851 (2019)]，受到国际同行的跟踪和模仿。观测到声子激光自组织同步路径和相位锁定[Phys. Rev. Lett. 124, 053604 (2020)]，实现了一种区别于传统热传导的新型长程可控热传输 [Nat. Commun. 11, 4656 (2020)]，实现基于微纳光力振子的随机光力热机[Science Advances 7, eabl7740 (2021)]。该团队在聚焦前沿科学问题的同时，积极发展量子精密测量技术，实现了突破量子极限的超灵敏微小位移测量[Appl. Phys. Lett. 115, 251105 (2019)]。

该工作得到了科技部重点研发计划、国家自然科学基金重点项目、国家自然科学基金杰出青年基金项目、上海市市级重大专项的资助。

附：论文链接：https://doi.org/10.1073/pnas.2207543119

来源：精密光谱科学与技术国家重点实验室