前沿 | 南京大学先进制造学院陈泽国最新PRB:可编程周期性损耗调控非幺正Floquet动力学
在声学、光学等波动系统中，损耗会让能量逐渐衰减，往往被视为要尽量抑制的不利因素。南京大学研究团队通过实现周期性、状态选择性的损耗调控，使其从单纯的衰减因素转变为调节系统瞬态演化的可编程手段。相关成果以“Programmable dissipation for controlling nonunitary Floquet dynamics” 为题在线发表于期刊 Physical Review B。
南京大学先进制造学院2023级博士生贺广臣为论文第一作者，陈泽国副教授为通讯作者，博士生张晓萌、陈召宪助理教授和卢明辉教授亦为本工作做出重要贡献。该工作得到国家重点研发计划和国家自然科学基金的资助。
声音在传播和振荡过程中不可避免地伴随能量耗散。例如，声波在腔体内反复传播时，部分能量会被材料吸收，振动幅度也会随时间逐渐减小。因此，在传统声学研究中，损耗通常被视为需要尽量抑制的不利因素，以延长声波的传播距离和振荡寿命。然而，损耗并非只能被动消耗能量，也可以被主动设计为调控系统演化的重要自由度。通过精确控制损耗的作用对象、持续时间和调制周期，可以有选择地改变不同状态的衰减速率，并进一步重塑系统的能谱结构，从而使特定状态在长时间演化后成为占据主导的存活态。Floquet 调控为实现这种周期性损耗控制提供了有效途径。其核心思想是将不同演化阶段按固定顺序周期性重复，使相干演化和损耗在每个周期内共同作用，并最终决定系统的长期动力学行为。此前相关研究更多聚焦于准能谱、奇异点和拓扑相等谱学性质；相比之下，如何将周期性损耗发展为一种可实时编程、可灵活重构的动力学控制手段，仍缺乏系统性的实验验证。本研究首先考虑一个具有周期性、状态选择性损耗的二能级 Floquet 系统。每个周期内，系统先自由演化，随后对其中一个状态施加损耗。一个周期的整体演化由 Floquet 算符描述，其复准能谱反映两种模式的衰减特性。通过调节损耗强度、作用时间和调制频率，可以连续重塑这一谱结构。随着周期性演化不断重复，快衰减模式逐渐减弱，慢衰减模式最终占据主导。因此，通过分析单周期 Floquet 算符及其复准能谱，即可判断系统长期演化中的主导存活模式。研究还发现，即使不跨越相变边界，仅改变调制频率，也能明显调节系统的振荡和衰减状态。这表明，调制频率不仅是决定系统所处相区的重要参数，也可以作为连续调控系统动力学行为的有效手段。图1 周期性损耗重塑 Floquet 能谱及长时间衰减模式为实现可编程损耗调控，研究团队首先搭建了一个由两个高品质因子声学腔组成的可编程电声腔系统。通过分别调节反馈回路与耦合电路的幅值、相位及作用时序，系统能够独立控制腔体损耗和腔间耦合，并实现周期性、状态选择性的耗散调制。实验中，仅改变损耗的调制频率，测得的长期衰减率与 Floquet 准能谱中的慢衰减分支高度一致，表明单周期 Floquet 能谱能够预测系统的长期演化。进一步研究发现，即使系统处于同一 Floquet-PT 破缺相区，不同调制频率仍会产生明显不同的振荡和衰减行为。研究团队发现，周期性损耗还可以从“测量”的角度来理解。每个周期中，系统先自由演化，部分能量转移到另一状态；随后施加的选择性损耗会优先削弱这部分能量，相当于对系统状态进行一次有限强度的筛选。损耗越强、作用时间越长，对应的测量强度越大。当单次损耗保持不变而调制频率不断提高时，单位时间内的“测量”次数随之增加，状态转移逐渐受到抑制，系统最终停留在初始状态附近，形成芝诺冻结。Bloch 球上不断收缩的演化轨迹，直观展示了这一过程。在此基础上，研究团队利用芝诺冻结状态作为几何相位测量的参考。信号臂沿 Bloch 球闭合轨迹演化并积累 Aharonov–Anandan 几何相位，参考臂则通过高频选择性损耗保持在 Bloch 球极点附近，其几何相位接近于零。因此，两条路径的相位差主要反映信号臂的几何相位。通过改变失谐量，还可以调节闭合轨迹所围成的立体角，从而连续控制测得的几何相位。本研究发展了一套可实时编程、可灵活重构的声学损耗调控手段，并在此基础上建立了以可编程耗散为核心的非幺正 Floquet 动力学调控框架。通过周期性、状态选择性的损耗，不仅可以重塑 Floquet 准能谱并选择长期主导模式，还可实现广义测量、芝诺冻结以及 Aharonov–Anandan 几何相位的差分读出。该工作将能谱调控、芝诺冻结和相位测量统一于同一实验平台，为多模态耗散系统中的动力学控制、几何与拓扑信号提取，以及可编程波动调控提供了新的思路。https://doi.org/10.1103/1hdq-t13c免责声明：本文旨在传递更多科研资讯及分享，所有其他媒、网来源均注明出处，如涉及版权问题，请作者第一时间后台联系，我们将协调进行处理，所有来稿文责自负，两江仅作分享平台。转载请注明出处，如原创内容转载需授权，请联系下方微信号。
