2023年5月8日，《美国国家科学院院刊》（Proceedings of the National Academy of Sciences，PNAS）在线发表了陆培祥教授带领的超快光学团队王兵教授课题组在时域光子晶格界面折反射调控方面取得的最新研究成果，文章标题为“Reconfigurable refraction manipulation at synthetic temporal interfaces with scalar and vector gauge potentials”。

在经典电动力学中，标势和矢势是为了数学上的方便而引入的辅助量，没有直接观测意义。然而在量子力学中，标势和矢势能够对电子波函数的相位施加影响，导致可观测的物理效应的发生，如阿哈罗诺夫-波姆（Aharonov-Bohm，简称AB）效应。光子是中性粒子，不能直接和电磁场发生相互作用。近年来，人们利用光子在特定体系中积累的传播和几何相位进行反向设计，构造包括标势和矢势在内的等效光子规范势，形成等效电场和磁场，从而能够像操控电子一样有效操控光子。通过设计等效光子规范势的分布，可以在光子晶格中形成界面。波包入射到光子晶格中，在界面处发生的折射和反射能够利用规范势进行调控。然而，在以往的工作中，人们大多只关注由标势或矢势等单一规范势形成的界面处的折反射现象，不同光子规范势形成的界面对波包折反射效应的区别和联系以及复合光子规范势导致的界面效应还有待进一步探讨。

图1. (a)-(b)耦合双光纤环路及时域光子晶格示意图。(c)-(d)光子等效标势和等效矢势以及其对能带的作用。

最近，王兵教授课题组基于长度略有差异的双光纤环路构造了合成维度的时域光子晶格，并通过环路中的相位调制在晶格中引入了等效标势和等效矢势，研究了不同规范势界面处的折反射现象。如图1所示，当长短环路中施加相同的相位调制时，便在对应的时域晶格中引入了等效标势，等效标势对能带的作用是纵向平移能带；当两个环路中的相位调制相反时，便构造了等效矢势，等效矢势会使得能带左右平移。通过设计驱动相位调制器的时序信号，可以控制时域光子晶格中任意格点处的等效规范势。如图2所示，研究团队使等效规范势在晶格延伸方向和演化方向上突变，构造了时域规范势异质界面。当界面处于晶格延伸方向上时，入射波包的演化遵循传播常数守恒，通过调整界面两侧的势差，可以使波包在标势界面处发生全内反射，而在矢势界面处始终有折射。当界面位于演化方向上时，波包演化遵循布洛赫动量守恒，标势界面对波包演化无影响，矢势界面会引起波包的分束。他们将规范势界面进行组合，还实现了时域受抑全内反射、完美成像和AB效应。该研究为光脉冲调控提供了新思路，在光纤通信和量子模拟方面具有重要的应用前景。

图2. (a)-(d)波包在不同规范势界面处的光脉冲强度演化实验结果图。

物理学院博士生叶汉、青年教师秦承志和课题组博士后王书林为该工作的共同第一作者，物理学院和武汉光电国家研究中心王兵教授、陆培祥教授以及意大利米兰理工大学Stefano Longhi教授为论文共同通讯作者。该项研究工作得到了国家自然科学基金面上和创新研究群体项目的资助。近年来，王兵、陆培祥课题组在合成维度光子学领域的研究不断取得新进展，多项成果接连发表在Phys. Rev. Lett. (2篇)、Nat. Commun.、Sci. Adv.、PNAS、Light等国际高水平学术期刊上。

论文链接：https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2300860120