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近日，南方科技大學(xué)物理系副教授吳紫輝課題組在光捕獲和光束縛的非厄密性方面取得重要進(jìn)展，相關(guān)研究成果以“Non-Hermitian physics for optical manipulation uncovers inherent instability of large clusters”為題，發(fā)表在學(xué)術(shù)期刊Nature Communications上。  

光捕獲和光束縛分別在1969年和1989年被研究人員發(fā)現(xiàn)。從那時起，它們便在許多學(xué)科領(lǐng)域中引起了廣泛而持續(xù)的關(guān)注，其中包括生物學(xué)、膠體科學(xué)，以及其它牽涉到小顆粒操控的領(lǐng)域。光捕獲的先驅(qū)，亞瑟·阿什金(Arthur Ashkin)，也因發(fā)明光鑷而獲得2018年諾貝爾物理學(xué)獎。非厄密物理學(xué)作為一個新興的領(lǐng)域，最近也引起了很多學(xué)者的研究興趣。而吳紫輝課題組將這兩個看似無關(guān)的主題相互關(guān)聯(lián)，通過應(yīng)用非厄密理論來研究光捕獲和光束縛，使我們看到物理研究的新方向，并對這個有著數(shù)十年歷史的領(lǐng)域有了更深入的理解。

光束縛是指多個粒子之間的散射光所造成的光力將其穩(wěn)定束縛成某一粒子結(jié)構(gòu)的現(xiàn)象。一個被廣為接納的理論表明，在光的作用下，粒子會尋找和形成一種在能量上有利的結(jié)構(gòu)，并被稱為“光學(xué)分子”甚至“光學(xué)物質(zhì)”。情況就像電子束縛一般材料一樣。然而，與厄密的電子束縛不同，非保守光束縛是非厄密的，傳統(tǒng)的理論并不適用。因此，吳紫輝課題組在光束縛系統(tǒng)中考慮到非厄密性，并發(fā)現(xiàn)了奇異點(diǎn)的存在，即振動譜中的奇點(diǎn)。它意味著從穩(wěn)定到不穩(wěn)定的對稱破缺相變。在此過程中振動頻率變更為復(fù)數(shù)，并允許光“泵入”能量并“熔化”粒子結(jié)構(gòu)。更重要的是，對于足夠大的粒子團(tuán)簇，系統(tǒng)總是會達(dá)到不穩(wěn)定閾值。因為隨著粒子數(shù)目增多，振動譜將接近簡并，很小的非厄密耦合便能驅(qū)動系統(tǒng)通過奇異點(diǎn)，且這一過程與細(xì)節(jié)無關(guān)。簡而言之，僅僅依靠光力無法穩(wěn)定束縛較大的粒子團(tuán)簇。實(shí)驗中觀測到的穩(wěn)定光束縛不能僅通過光力來實(shí)現(xiàn)，輔助的背景阻尼力也是必要的條件。因此，對于大的粒子團(tuán)簇，“光束縛”最好被稱作“光力-流體動力束縛”。事實(shí)上，這里較大的粒子團(tuán)簇指的只是具有約10個或更多粒子的團(tuán)簇。這里非厄密性是關(guān)鍵，其物理起源是入射光和輻射損耗。粒子并不總是處于能量有利于穩(wěn)定的位置，因為當(dāng)兩個振動頻率幾乎簡并時，非保守力將作為一個能量泵，激發(fā)并破壞粒子團(tuán)簇的穩(wěn)定性。

吳紫輝課題組的這一理論，一方面取代了舊的光捕獲和光束縛理論，另一方面也擴(kuò)展了非厄密物理學(xué)的研究領(lǐng)域。這里需要強(qiáng)調(diào)的是這項工作與已發(fā)表的所有實(shí)驗結(jié)果一致。課題組所開發(fā)的理論和數(shù)學(xué)模型可以應(yīng)用于任何具有空間位置上非保守力（positional non-conservative force）的開放系統(tǒng)，其中包括聲力和其他受輻射束縛的系統(tǒng)。

圖1：單一粒子光捕獲系統(tǒng)中的奇異點(diǎn)。(a)介電粒子的光捕獲示意圖。(b) Ki, 力矩陣的本征值與偏振()的關(guān)系。從線偏振(=0)到圓偏振()。紫色叉叉表示奇異點(diǎn)出現(xiàn)的位置。光捕獲在奇異點(diǎn)左（右）邊是穩(wěn)定（不穩(wěn)定）的。(c)穩(wěn)定性也依賴于粒子大小。

圖2：隨著粒子數(shù)目的增加，復(fù)數(shù)不穩(wěn)定模式普遍存在。(a)在(b)到(g)中所考慮的幾何結(jié)構(gòu)下，復(fù)數(shù)不穩(wěn)定模式的百分比隨著粒子數(shù)目的增加而增加，這意味著大的光束縛團(tuán)簇結(jié)構(gòu)本質(zhì)上是不穩(wěn)定。

 吳紫輝課題組博士后李肖為論文第一作者，完成了仿真、分析數(shù)據(jù)等主要內(nèi)容，廈門大學(xué)電子科學(xué)與技術(shù)學(xué)院助理教授劉益能完成了早期仿真模擬工作，復(fù)旦大學(xué)物理系教授林志芳開發(fā)了這一工作所用到的主要程序，香港科技大學(xué)物理系講席教授陳子亭發(fā)起并監(jiān)督完成了這一項目。吳紫輝是論文通訊作者，南科大是論文第一單位。

 以上研究受到國家自然科學(xué)基金、深圳自然科學(xué)基金、香港RGC和香港裘槎基金會的大力支持。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-021-26732-8 

供稿：物理系

通訊員：許馨文

主圖：丘妍

編輯：朱增光