首次观察到的各种退化点的异常点的湮灭

光谱真实部分的异常点的轨迹。图片来源：马特乌什·克罗尔，华沙大学物理系

来自波兰华沙大学，法国Pascal CNRS研究所，波兰军事技术大学和英国南安普敦大学的一组研究人员表明，控制所谓的异常点是可能的。物理学家还首次观察到来自不同简并点的异常点的湮灭。您可以在最新的《自然通讯》中阅读有关可能有助于现代光学设备创造的发现。

我们周围的宇宙是由基本粒子组成的，其中大多数都有它们的反粒子。当粒子和反粒子，即物质和反物质相遇时，就会发生湮灭。物理学家长期以来一直能够产生准粒子和准反粒子 - 基本激发：电荷，振动，能量 - 被困在物质中，最常见于晶体或液体中。

“准粒子的世界可能非常复杂，尽管矛盾的是，准粒子本身有助于简化量子现象的描述，”华沙大学物理学院的Jacek Szczytko解释说。

“如果没有准粒子，就很难理解晶体管、发光二极管、超导体和一些量子计算机的运作情况。即使是抽象的数学概念也可以成为准粒子，只要它们可以在物理系统中实现。其中一个抽象的概念是例外点。

来自法国帕斯卡尔CNRS研究所的理论家，纪尧姆·马尔普埃奇和德米特里·索尔尼什科夫解释道。

“所谓的'异常点'是特定的系统参数，导致两种不同解决方案的共性，这些解决方案只能存在于有损耗的系统中，即那些振荡随时间缓慢消退的系统，”Malpuech说。

“它们允许创建高效的传感器，单模激光器或单向传输。重要的是，每个异常点都有一个非零拓扑电荷 - 一个描述基本几何性质的数学特征，并允许您确定哪个异常点将成为另一个异常点的'反粒子'，“Solnyshkov补充道。

华沙大学和军事技术大学的科学家与CNRS和南安普敦大学的研究人员合作，分析了充满液晶的光学谐振器。液晶是物质的特殊相，尽管其为液态，但在某些方向上是有区别的。

以前认为的EP湮灭和这项工作之间的区别。a 典型的EP湮灭，其中只涉及一个狄拉克山谷。EP 是在增加相对非隐血性 χ 时从 DP 创建的。相反，当相对非隐性降低时，它们合并并形成DP。b 本工作中描述的EP的湮灭，涉及不同的山谷。4 EP是在增加相对非密封性时从2个DP创建的。当它进一步增加时，EP相遇并湮灭，使系统没有任何奇点。w是这里的绕组数。图片来源：自然通讯（2022）。DOI： 10.1038/s41467-022-33001-9

例如，它可以通过光束进行探测，光束的行为根据相对于液晶光学轴的入射方向而有所不同。该功能与外部电场的易调谐性相结合，是普通液晶显示器（LCD）操作的基础。偏振光-即电磁波电场振动的特定方向-完美地“感知”光轴的方向，这些与液晶细长分子的方向有关。

“在进行的研究中，液晶层被放置在两个平面镜子之间，”华沙军事技术大学的Wiktor Piecek解释说。“整个结构创造了一个光学腔，只有具有特定波长的光才能通过。

对于所谓的腔体共振模式，即具有特定颜色（能量）、偏振和传播方向的光，满足这一条件。这对应于落入腔体的光子可以在两个镜子之间多次反弹的情况。

液晶的存在，其方向可以通过施加电压来改变，允许调整腔体模式的能量。此外，当光以一定角度入射时，共振条件会发生变化，这尤其会导致不同的腔体模式相互相交，即尽管光的偏振不同，但具有相同的能量。

对于本文所考虑的液晶的特定取向，在考虑理想结构时，两种不同的腔体模式应仅针对光的四个特定入射角相交，而不会有任何损失。事实上，被困在腔体中的光可以通过不完美的镜子逸出或被散射。

光子停留在微腔内的平均时间可以根据光谱测量来确定。此外，由于液晶层的方向，观察到沿和垂直于液晶轴线偏振的光的散射差异。结果，在理想化的无损空腔的每个简并点的位置，观察到一对所谓的异常点，其中光子在空腔中的能量和寿命都是相同的。

该出版物的第一作者Mateusz Krol描述了该实验：“在测试系统中，观察到可以通过改变施加到腔体的电压来控制异常点的位置。首先，随着电偏置的减少，从不同简并点产生的异常点彼此靠近，并且对于适当的低电压，它们会重叠。由于接近的点具有相反的拓扑电荷，它们在相遇时会湮灭，因此它们消失了，没有留下任何特殊点。

“这种类型的拓扑奇点行为，即来自不同简并点的异常点的湮灭，已经首次被观察到。早期的工作显示了特殊点的湮灭，但它们在完全相同的退化点上出现和消失，“CNRS博士生伊斯梅尔·塞普特姆布雷（Ismael Septembre）补充道。

近年来，在物理学的许多不同领域都对特殊点进行了深入研究。“我们的发现将允许创建拓扑特性可以通过电压控制的光学器件，”华沙大学物理学院的Barbara Pietka总结道。

更多信息：M. Król等人，2D光子系统中不同狄拉克山谷中特殊点的湮灭，自然通讯（2022）。DOI： 10.1038/s41467-022-33001-9

期刊信息：自然通讯