[论文解读] Topological dynamics in an optomechanical system with highly non-degenerate modes

Haitan Xu, David L. Mason+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 21, 2017

Mechanical and Optical Resonators参考文献 29被引用 4

一句话总结

本文提出了一种非厄米光机械系统，通过光学机械耦合诱导的‘虚异常点’，实现了在两个高度非简并机械模之间的拓扑能量转移——其频率差超过其线宽和耦合率的1000倍。该方案无需近简并模即可实现鲁棒、绝热的模态转移，将拓扑控制扩展至更广泛的系统类别。

ABSTRACT

Non-Hermitian systems exhibit phenomena that are qualitatively different from those of Hermitian systems and have been exploited to achieve a number of ends, including the generation of exceptional points, nonreciprocal dynamics, non-orthogonal normal modes, and topological operations. However to date these effects have only been accessible with nearly-degenerate modes (i.e., modes with frequency difference comparable to their linewidth and coupling rate). Here we demonstrate an optomechanical scheme that extends topological control to highly non-degenerate modes of a non-Hermitian system. Specifically, we induce a "virtual exceptional point" between two mechanical modes whose frequencies differ by >10^3 times their linewidth and coupling rate, and use adiabatic topological operations to transfer energy between these modes. This scheme can be readily implemented in many physical systems, potentially extending the utility of non-Hermitian dynamics to a much wider range of settings.

研究动机与目标

• 将非厄米系统中的拓扑动力学扩展至远离近简并模的 regime。
• 克服先前非厄米系统中拓扑操作对频率差与线宽和耦合率相当的模的限制。
• 展示一种实用的光机械平台，可在高度非简并的机械模之间诱导虚异常点。
• 通过工程化耦合，实现在此类模之间的绝热、拓扑保护能量转移。

提出的方法

• 设计一个具有两个频率差超过其线宽和耦合率1000倍的机械模的光机械系统。
• 利用光学机械耦合诱导出模拟异常点动力学的非厄米有效哈密顿量。
• 通过调节光学机械耦合强度和失谐，创建非正交的本征模，从而引入虚异常点。
• 在参数空间中实现绝热循环演化，以在两个机械模之间转移能量。
• 利用绝热循环的拓扑鲁棒性，确保对参数波动的免疫能力。
• 通过有效非厄米哈密顿量及其本征模的理论建模与分析验证该方案。

实验结果

研究问题

• RQ1 在非厄米系统中，能否在高度非简并模之间实现拓扑能量转移，使得频率分裂远大于线宽和耦合率？
• RQ2 在该参数区间内，如何工程化实现虚异常点以实现非互易或拓扑动力学？
• RQ3 绝热演化在非厄米光机械系统中非简并模之间实现鲁棒能量转移中起什么作用？
• RQ4 尽管模态之间存在显著的频率差异，该转移过程的拓扑保护性是否仍可维持？
• RQ5 该方案在真实光机械平台中的实际实施约束与可扩展性如何？

主要发现

• 该系统在两个频率差超过其线宽和耦合率1000倍的机械模之间实现了虚异常点。
• 在参数空间中的绝热循环演化实现了在非简并模之间的鲁棒、拓扑保护能量转移。
• 非厄米动力学通过光学机械耦合诱导的非正交本征模和非对称的增益/损耗分布表现出来。
• 由于绝热循环的拓扑本质，该方案对参数波动具有鲁棒性。
• 理论框架表明，即使在模态简并缺失的情况下，拓扑控制依然可行，显著拓宽了非厄米系统的适用范围。
• 该方法可推广至其他物理系统，包括具有可调耦合的光子、超导及机械平台。