南京大学刘辉组用光学芯片模拟宇宙量子相变与时空"破洞"

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宇宙起源是现代物理学的基本科学问题。虽然爱因斯坦广义相对论成功地描述了宇宙的演化，但是宇宙起源的时空奇点是需要量子力学来解释。

因此，为了解释目前很多观测的宇宙现象，特别是早期宇宙起源，理论物理学家采用量子场论模型描述宇宙时空的性质，认为宇宙时空像是一种“凝聚态量子物质”，宇宙从大爆炸诞生、演化到现在，随着温度的降低，宇宙时空会经过一系列量子相变过程，这种相变会导致时空真空场的对称性破缺，而在宇宙中留下各种拓扑缺陷，例如磁单极子和宇宙弦等。通过探测这些时空的拓扑缺陷，人们不但可以追溯早期宇宙的诞生过程，而且观测量子引力效应和研究时空的本质。虽然人们已经开始尝试寻找时空拓扑缺陷，但由于人类太空量子探测技术的局限，目前尚未成功。另外，基于宇宙时空与凝聚态物质的类比关系，理论物理学家提出了变换光学的方法，主要是在凝聚态介质中通过连续改变物质的属性，模拟引力场弯曲时空，从而在实验上检验和演示各种弯曲时空中光子态的演化特性和量子效应，例如：光子黑洞、霍金辐射效应、宇宙膨胀红移等。

近些年，南京大学物理学院介电体超晶格实验室的祝世宁、刘辉研究组利用变换光学芯片，开展了弯曲时空中光子态演化特性的实验研究,取得系列成果。最近研究组的盛冲博士制备了一种二维弯曲超材料，实现一种新型的具有轴向旋转对称的各项异性变换光学介质，旋转对称中心可以模拟一维时空拓扑缺陷: 宇宙弦(图一(a))。

图一 (a)宇宙弦拓扑时空的嵌入图; (b) 宇宙弦拓扑时空的角度缺损; (c)负质量宇宙弦对光线的排斥；(d)正质量宇宙弦对光线的吸引。

虽然宇宙弦不会像其他质量的天体在周围时空中直接产生引力场，但是会造成周围时空拓扑结构的改变，导致时空角度的缺损或盈余(图一(b))，光在这种拓扑时空中传播的时候，无论光子的入射位置、传播方向、波长、偏振方向如何，都会产生一个确定的偏转角Δ=8πGµ，偏转的角度数值只决定于宇宙弦的质量密度µ，这是宇宙弦拓扑时空鲁棒性的体现。对于负质量密度的宇宙弦µ<0，偏转角度为Δ<0, 光线将被宇宙弦排斥(图一(c)); 对于正质量密度的宇宙弦µ>0，偏转角度为Δ>0, 光线将被宇宙弦吸引(图一(d))。实验中，研究组通过调节结构参数，制备得到了对应负质量和正质量宇宙弦的光学芯片(图二(a)(e))，并通过显微荧光探针技术直接观察到了光束经过拓扑缺陷产生的偏折，实验测量的偏折角度具有时空拓扑保护的鲁棒特性，与入射光束的位置、方向等因素都无关(图二(b-d),(f-h))。

图二 二维弯曲超材料模拟负质量宇宙弦(a)和正质量宇宙弦(e); 负质量宇宙弦排斥光束的实验结果(b-d); 正质量宇宙弦吸引光束的实验结果(f-h). 

普通的光学介质在对光场进行操控的时候，总会改变光场的部分性质，让光场携带的信息丢失，例如最简单的光学反射会翻转光场的左右分布(图三(a)), 而普通天体引力透镜会导致光场的形变和发散(图三(b)),而宇宙弦拓扑时空中光场的传递是具有很好的鲁棒性，光场的分布被整体地保护起来，光信息的传递基本没有损失(图三(c))。为了进一步证明这种拓扑时空对光信息的无损传递特性，研究组将各种复杂光场耦入光学芯片中，例如多光束光场(图三(d))和Airy光束(图三(e))，实验结果显示光场在拓扑时空中传输，光场被很好地保护起来而没有被破坏。

图三(a)普通光学反射; (b)普通天体的引力透镜效应; (c) 拓扑时空中光场的传输; (d) 光学芯片中多光束传输实验; (e) 光学芯片中Airy光束传输实验; (f)宇宙真空场的自发对称性破缺; (g)调节材料损耗模拟拓扑相变; 相变过程中超材料光学模式的改变(h)与对称性破缺(i)。 

根据当代量子宇宙模型，时空缺陷是在宇宙量子相变过程中，真空场自发对称性破缺所导致的结果(图三(f))。研究组通过在光学芯片中调节材料损耗系数来模拟时空的拓扑相变过程(图三(g))。结果表明当材料损耗较大，超材料表现为各项同性 (图三(h))，真空场处于对称相(图三(i))，时空无拓扑特性；当材料损耗降低至临界点以下，超材料表现为各项异性(图三(h))，真空场对称性自发破缺(图三(i))，时空具有非平庸拓扑特性。这些结果显示损耗可以做新的自由度在芯片上调控光子的拓扑性质。

该工作近期发表在“Definite photon deflections of topological defects in metasurfaces and symmetry-breaking phase transitions with material loss” Nature Communications 9:4271 (2018), 研究组博士后盛冲是第一作者, 厦门大学的陈焕阳教授参与理论分析，祝世宁院士参与了讨论和文章的修改, 南京大学是第一单位。该工作得到固体微结构物理国家重点实验室和人工微结构科学与技术协同创新中心的支持，国家自然科学基金重大项目"光子态的时空演化与应用" (No.11690033)和科技部量子调控项目"人工微结构中新奇量子、类量子效应研究" (No.2017YFA0303702)的资助，在此表示感谢。

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