集體振蕩是多個(gè)獨(dú)立諧振體在相互作用下共同形成整體振蕩的現(xiàn)象，其整體的諧振特性與單個(gè)諧振體存在著顯著差異，體現(xiàn)了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主P. W. Anderson先生所述“多即不同”（more is different）的觀點(diǎn)。集成振蕩現(xiàn)象在光子、等離激元、量子等體系廣泛存在，一般用實(shí)空間中相互作用的諧振體系來構(gòu)造。然而，考慮到實(shí)空間和動(dòng)量空間的傅里葉對(duì)偶性（Fourier Duality），集體振蕩有望在動(dòng)量空間中引入相互作用來實(shí)現(xiàn)。

近日，中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所鄭婉華院士團(tuán)隊(duì)、北京大學(xué)電子學(xué)院彭超杰青團(tuán)隊(duì)與澳大利亞國立大學(xué)Yuri Kivshar院士團(tuán)隊(duì)在《Nature Nanotechnology》發(fā)表了一項(xiàng)創(chuàng)新成果，觀測(cè)到了由邊界動(dòng)量散射誘導(dǎo)的集體導(dǎo)模共振（collective guided resonance, CGR）現(xiàn)象，并利用非對(duì)稱泵浦破缺鏡面對(duì)稱性，成功實(shí)現(xiàn)了手性激光發(fā)射。

圖1 集體導(dǎo)模共振

研究團(tuán)隊(duì)從實(shí)空間與動(dòng)量空間的傅里葉對(duì)偶性出發(fā)，設(shè)計(jì)了一種圓形邊界的有源光子晶體。在圓形邊界散射效應(yīng)作用下，原本獨(dú)立傳播的多個(gè)光子晶體導(dǎo)模發(fā)生各向同性耦合，進(jìn)而形成二重簡并的集體導(dǎo)模共振態(tài)（collective guided resonances, CGRs）。在保持鏡面對(duì)稱下，兩個(gè)簡并模式攜帶相反的手性渦旋。進(jìn)一步，團(tuán)隊(duì)利用非對(duì)稱泵浦技術(shù)破缺手性對(duì)稱性，實(shí)現(xiàn)了手性渦旋激光的單模激射。團(tuán)隊(duì)成功觀測(cè)了實(shí)空間中心處強(qiáng)度為零的渦旋光束，并通過偏振分布及自干涉測(cè)量證實(shí)渦旋中心處純粹相位奇點(diǎn)，體現(xiàn)為自干涉條紋呈現(xiàn)為一對(duì)朝向相反的“叉”（fork）型圖案。上述結(jié)果證實(shí)了激光光束攜帶非零的手性軌道角動(dòng)量。

圖2 集體導(dǎo)模共振模式原理

圖3 手性渦旋激射特征

該研究解析了一類獨(dú)特的動(dòng)量空間集體振蕩現(xiàn)象，為“多即不同”這一著名論斷提供了又一實(shí)例，同時(shí)也為構(gòu)造實(shí)用且芯片級(jí)渦旋激光器提供了新方法，為量子/光子計(jì)算、傳感、微操控和手性鑒別提供光源。該成果以“Observation of chiral emission enabled by collective guided resonances”為題，7月1日發(fā)表于《Nature Nanotechnology》（DOI：10.1038/s41565-025-01964-7）。北京大學(xué)電子學(xué)院博士生陳燁、中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所青年研究員王明金為共同第一作者，中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所鄭婉華院士、澳大利亞國立大學(xué)Yuri Kivshar院士、北京大學(xué)電子學(xué)院彭超教授為共同通訊作者。

該項(xiàng)工作得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的資助。