近日，清華大學(xué)電子工程系黃翊東團(tuán)隊(duì)崔開(kāi)宇副教授等利用光聲晶體微腔這一片上腔光力學(xué)體系構(gòu)建可調(diào)控的聲學(xué)非厄米系統(tǒng)，通過(guò)光場(chǎng)對(duì)兩個(gè)聲學(xué)模式之間的相互作用進(jìn)行調(diào)控，首次在片上系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了宇稱-時(shí)間反對(duì)稱（Anti-Parity-Time Symmetry）的聲學(xué)奇異點(diǎn)。該研究為聲學(xué)奇異點(diǎn)相關(guān)的非厄米以及非線性效應(yīng)、聲子拓?fù)涞然A(chǔ)研究提供了片上平臺(tái)，并有望在高靈敏物理量傳感、精密測(cè)量等應(yīng)用中突破現(xiàn)有技術(shù)的瓶頸。

組圖：基于拉鏈型光聲晶體微腔的片上聲學(xué)奇異點(diǎn)：A.等效物理模型 B.實(shí)驗(yàn)測(cè)試裝置示意圖 C.拉鏈型光聲晶體微腔電子掃描顯微鏡照片 D.聲學(xué)諧振頻率隨系統(tǒng)參數(shù)演化的拓?fù)涿?E.奇異點(diǎn)附近系統(tǒng)本征值的根號(hào)階次劈裂。

非厄米系統(tǒng)由于體系與外部環(huán)境存在耦合，在物理性質(zhì)上與厄米系統(tǒng)有著明顯差異，奇異點(diǎn)（Exceptional Points）正是非厄米系統(tǒng)中特有的一類簡(jiǎn)并態(tài)。與奇異點(diǎn)體系相關(guān)的物理效應(yīng)及應(yīng)用，如非對(duì)稱模式轉(zhuǎn)換、基于奇異點(diǎn)附近根號(hào)階次模式劈裂的單模激光及其高靈敏度傳感特性等在國(guó)際學(xué)術(shù)界引起廣泛關(guān)注。

目前已報(bào)道奇異點(diǎn)的研究工作主要集中在單一的光學(xué)體系中，基于其他物理體系奇異點(diǎn)的相關(guān)現(xiàn)象和應(yīng)用仍有待進(jìn)一步探索。聲學(xué)模式易與多種物理量耦合，以此構(gòu)建的多物理場(chǎng)耦合系統(tǒng)將給奇異點(diǎn)的研究提供更高的自由度；同時(shí)聲學(xué)奇異點(diǎn)在超高靈敏度傳感的應(yīng)用方面具有更大優(yōu)勢(shì)。然而，高頻聲學(xué)模式難以調(diào)控，GHz聲學(xué)奇異點(diǎn)一直以來(lái)未能在芯片上實(shí)現(xiàn)。

該研究提出了利用拉鏈型光聲微腔構(gòu)造具有宇稱-時(shí)間反對(duì)稱的聲學(xué)哈密頓量來(lái)實(shí)現(xiàn)片上聲學(xué)奇異點(diǎn)，其中微腔中具備邊帶可分辨特性高品質(zhì)因子的光學(xué)模式，用于連接兩個(gè)獨(dú)立振動(dòng)的近簡(jiǎn)并GHz聲學(xué)呼吸模式，從而構(gòu)造聲學(xué)模式之間的耗散耦合和相干耦合。

實(shí)驗(yàn)上通過(guò)改變輸入激光的波長(zhǎng)和功率調(diào)控兩個(gè)聲學(xué)模式之間的耗散耦合和相干耦合以補(bǔ)償聲學(xué)模式之間的頻率差異，實(shí)現(xiàn)了在奇異點(diǎn)附近聲學(xué)本征值隨系統(tǒng)參數(shù)演化的拓?fù)涿鏈y(cè)量，并成功觀測(cè)到了奇異點(diǎn)附近的根號(hào)階次的模式劈裂特性。

利用這一特性可以突破已有聲學(xué)系統(tǒng)傳感的線性響應(yīng)，在物理量的高精度靈敏探測(cè)領(lǐng)域有著重要應(yīng)用前景。此外，該工作還系統(tǒng)分析了聲子激射效應(yīng)對(duì)于奇異點(diǎn)觀測(cè)的影響，并在實(shí)驗(yàn)上觀測(cè)了奇異點(diǎn)附近的拓?fù)涿嫣卣鲗?duì)聲子激射后系統(tǒng)中光聲同步態(tài)的演化特性的調(diào)控。

近日，該成果以“基于拉鏈型光聲晶體微腔的片上聲學(xué)奇異點(diǎn)”（On-chip mechanical exceptional pointsbased on an optomechanical zipper cavity）為題發(fā)表在《科學(xué)·進(jìn)展》（Science Advances）上。

審核編輯：劉清