集体振荡是多个独立谐振体在相互作用下共同形成整体振荡的现象，其整体的谐振特性与单个谐振体存在着显著差异，体现了诺贝尔物理学奖得主P. W. Anderson先生所述“多即不同”（more is different）的观点。集成振荡现象在光子、等离激元、量子等体系广泛存在，一般用实空间中相互作用的谐振体系来构造。然而，考虑到实空间和动量空间的傅里叶对偶性（Fourier Duality），集体震荡有望在动量空间中引入相互作用来实现。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和澳大利亚国立大学Yuri Kivshar院士团队在《Nature Nanotechnology》发表了一项创新成果，观测到了由边界动量散射诱导的集体导模共振（collective guided resonance, CGR）现象，并利用非对称泵浦破缺镜面对称性，成功实现了手性激光发射。

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性出发，设计了一种圆形边界的有源光子晶体。在圆形边界散射效应作用下，原本独立传播的多个光子晶体导模发生各向同性耦合，进而形成二重简并的集体导模共振态（collective guided resonances, CGRs）。在保持镜面对称下，两个简并模式携带相反的手性涡旋。进一步，团队利用非对称泵浦技术破缺手性对称性，实现了手性涡旋激光的单模激射。团队成功观测了实空间中心处强度为零的涡旋光束，并通过偏振分布及自干涉测量证实涡旋中心处纯粹相位奇点，体现为自干涉条纹呈现为一对朝向相反的“叉”（fork）型图案。上述结果证实了激光光束携带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

该研究解析了一类独特的动量空间整体振荡现象，为“多即不同”这一著名论断提供了又一实例，同时也为构造实用的片上涡旋激光器提供了新方法。该论文于2025年7月1日发表在《Nature Nanotechnology》，详情请见：https://www.nature.com/articles/s41565-025-01964-7。

北京大学电子学院博士生陈烨、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、北京大学电子学院彭超教授为共同通讯作者。该工作得到科技部重点研发计划，国家自然科学基金等项目的支持。

转自：PKU电子学人

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