近日，國際物理學權威期刊《物理評論快報》（
Physical Review Letters）以編輯推薦（Editors’ Suggestion）形式，發表了北京大學物理學院肖雲峰教授和龔旗煌院士在光學微腔混沌動力學研究方面的重要進展。他們首次在實驗上研究了混沌光學微腔中的光子輸運，揭示出初態敏感的光子演化路徑。論文題目為“Regular-Orbit-Engineered Chaotic Photon Transport in Mixed Phase Space”。光學微腔可以將光子長時間局域在很小的空間內，極大地增強了光和物質的相互作用，是光物理基礎與前沿應用的重要平臺之一。如同北京天壇的迴音壁可以將聲波匯聚在彎曲牆壁內側進行傳播，光學微腔中也有一種類似原理的模式，它利用光在介質微腔內表面的連續全反射，並通過相干疊加形成諧振。迴音壁光學微腔具有超高品質因子和很小的模式體積，已被廣泛應用於弱光非線性、強耦合腔量子電動力學和光聲相互作用等物理過程，以及微納尺度激光、高靈敏生化傳感和精密測量等應用研究。
近年來，非對稱光學微腔通過打破傳統迴音壁微腔的旋轉對稱性，獲得了混沌光場，為操控光子行為提供了新的途徑，成為研究混沌和非厄密動力學的重要工具。研究團隊利用射線模型和波動仿真揭示了光場在混沌微腔中存在著兩個絕然不同的演化路徑，且對初態非常敏感。進一步的研究表明，光場在微腔的位置-角動量相空間中，可以沿著混沌動力學和規則-混沌動力學兩條路徑，由波導模式演化為高品質因子迴音壁模式。其中，動力學隧穿過程連接了相空間中的不同結構，為模式間耦合提供了物理通道。
研究團隊在微腔-光纖耦合體系中巧妙地改變入射光場的角動量和空間角方位，從而精確調控相空間中的激發初態，使得光場可以分別在混沌區域和規則區域中被激發。研究人員通過測量透射譜的變化並統計模式耦合效率的規律，揭示出不同演化路徑的顯著差異，證明了混沌光場演化過程會受規則模式的調控，與理論上預測一致。
光場動力學演化的實驗研究為光場調控提供了新工具，為高效集成光子器件的設計指明瞭新方向。論文第一作者為物理學院2017級博士生陳立坤，通信作者為肖雲峰，合作者包括物理學院研究生顧羽中、曹啟韜，德國馬格德堡大學Jan Wiersig教授。
這項研究工作得到國家自然科學基金委、科技部、人工微結構和介觀物理國家重點實驗室、納光電子教育部前沿科學中心和極端光學協同創新中心等的支持。（來源：北大新聞網）
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