量子物質科學協同創新中心成員龍桂魯教授和他的博士生雷府川與美國聖路易斯華盛頓大學楊蘭教授等合作，于2014年4月6日在《自然•物理》（Nature Physics）雜志上在線發表了題為《宇稱時間對稱的回音壁微腔》（Parity–time-symmetric whispering-gallery microcavities）的論文[Peng, B. et al. Nature Phys. (2014)][1]，并被《自然•物理》（Nature Physics）雜志以《從對稱走來的不對稱》（Asymmetry from symmetry）為題在“新聞與視點”（News&Views）欄目點評[2]。該論文中的研究成果首次實驗實現了基于宇稱時間對稱結構光學微腔的光學二極管，這一器件的研制對新型計算機和激光器等的發展将産生重要影響。該器件利用了兩個回音壁模式的微腔耦合方式，把其中一個微腔摻雜铒離子作為增益腔，另外一個作為損耗腔，通過倏逝場相互耦合，并通過微納光纖波導将光耦合進入和輸出，觀察到了光的單向傳輸。
宇稱-時間對稱（Parity-Time-symmetry）理論由卡爾班德（Carl Bender）和他的合作者提出的，是基礎物理學的研究熱點。宇稱-時間對稱體系具有許多奇妙的性質，如預言了超速态演化（這一預言已經被龍桂魯研究組在2013年進行過實驗模拟）。在光學中，人們意識到基于宇稱-時間對稱結構的光學系統會展現出許多奇特的性質。人們首先在波導耦合系統中，實現了這種宇稱-時間對稱的結構。但是在這個系統中，光學共振不能發揮作用。因此，許多理論預言的現象都還未被觀察到，比如，光的不可逆傳輸、光學類比拓撲絕緣體、激光中的反常點等。這些現象既需要宇稱-時間對稱，也需要光學共振效應。特别是，上述現象中的光的不可逆傳輸（光學二極管效應）有着重要的實際應用意義。
左圖由美國聖路易斯華盛頓大學的B. Peng, S. K. Ozdemir and L. Yang提供
實驗中觀察到調節增益和耦合強度可以實現宇稱-時間對稱性從未破壞到破壞的相互轉換，與理論預言一緻。另外，他們實驗中發現，宇稱-時間對稱性破壞以後的耦合光學微腔可以讓光場局限在其中一個腔中，從而導緻了很強的光學非線性，他們利用這種強的光學非線性，實現了光的不可逆傳輸，即光學二極管效應。該項工作是回音壁模式微腔向着實際應用研究的重要進展。
此項工作得到了清華大學、國家自然基金委、科技部的支持。
相關鍊接：
[1] http://www.nature.com/nphys/journal/vaop/ncurrent/full/nphys2927.html
[2] http://www.nature.com/nphys/journal/vaop/ncurrent/full/nphys2941.html
