集体振荡是指多个独立的谐振单元在相互作用下形成整体振荡的现象，这种整体表现出的共振特性与单个谐振单元明显不同，体现了诺贝尔物理学奖得主p. w. anderson提出的“多即不同”（more is different）这一思想。集成振荡现象广泛存在于光子、等离激元和量子系统中，通常通过实空间中具有相互作用的谐振结构来实现。然而，基于实空间与动量空间之间的傅里叶对偶性（fourier duality），在动量空间中引入相互作用同样有望实现集体振荡。近日，北京大学电子学院彭超团队联合中国科学院半导体研究所郑婉华院士团队及澳大利亚国立大学yuri kivshar院士团队，在《nature nanotechnology》上发表了一项创新研究成果，首次观测到由边界动量散射诱导产生的集体导模共振（collective guided resonance, cgr）现象，并通过非对称泵浦打破镜面对称性，实现了手性激光发射。
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图1 集体导模共振
研究团队从实空间与动量空间的傅里叶对偶关系出发，设计出一种具有圆形边界的有源光子晶体结构。在边界散射效应的作用下，原本各自传播的多个光子晶体导模发生各向同性耦合，从而形成了二重简并的集体导模共振态（collective guided resonances, CGRs）。在保持镜面对称的情况下，这两个简并模式分别携带相反方向的手性涡旋。随后，团队采用非对称泵浦方式破坏手性对称性，成功实现了单一模式的手性涡旋激光输出。实验中观察到了实空间中心强度为零的涡旋光束，并通过偏振分布和自干涉测量验证了涡旋中心存在纯粹的相位奇点，表现为自干涉条纹呈现一对方向相反的“叉”（fork）型图案。这些结果表明所发射的激光携带着非零的手性轨道角动量。
图2 集体导模共振模式原理
图3 手性涡旋激射特征
本研究揭示了一种特殊的动量空间整体振荡行为，为“多即不同”的理论提供了新的实验证据，同时也为片上涡旋激光器的实际应用开辟了新路径。该论文于2025年7月1日发表于《Nature Nanotechnology》，详情请访问：https://www.php.cn/link/8f20fe72886d5849926d898864c46523。
北京大学电子学院博士生陈烨与中国科学院半导体研究所青年研究员王明金为共同第一作者；中国科学院半导体研究所郑婉华院士、澳大利亚国立大学Yuri Kivshar院士以及北京大学电子学院彭超教授为共同通讯作者。该项目得到了科技部重点研发计划与国家自然科学基金等多项支持。
