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日前，北京理工大學物理學院張向東教授課題組青年教師陳宇輝研究員同瑞典隆德大學、新西蘭奧塔哥大學的研究者開展合作，在光學多體問題研究上取得重要進展，首次在實驗上發現了光學非平衡多體系統中存在本征不穩定相，相關研究成果發表在國際頂級期刊《物理評論快報》上。

多體問題因其豐富的內涵，廣泛的應用前景，一直以來都是凝聚態物理研究的重點內容，在熱學、電學、磁學等領域產生了包括超流體、超導、鐵磁等影響深遠的研究方向。然而，對于光驅動的多體問題，由于光學系統天然就是一個非平衡體系，同時又是一個存在輸入輸出的開放系統，其復雜度更甚于傳統的多體問題，因而導致了人們在光學多體問題的理解上遠不如熱學、電學和磁學的多體問題。目前，僅有一般的純吸收相和本征雙穩相等少數光學多體問題本征相被人們所發現。

另一方面，隨著光子技術對日常生活影響的不斷加深，人們對高亮度光源和強非線性開關等器件的需求愈發突出，而這些器件又依賴于光學多體系統來增強光和物質的相互作用，對光學多體系統本征相的研究由于在應用上巨大潛力又重新引起了人們的關注。

圖1  光學多體系統本征不穩定相的實驗觀測結果。（a）和（c）為實驗裝置，（b）和（d）為透射譜的測量結果。

團隊成員在研究高濃度鉺離子摻雜YSO 晶體的透射實驗時發現，由于鉺離子之間的偶極相互作用，此時體系的響應不再具有時間不變性（time invariance），其光學響應不能用一個時域上穩定的函數來表示，這一相互作用相被稱為光學本征不穩定相（Intrinsic Optical Instability）。對于具有不穩定性的光學體系來說，傳統理論和實驗一般都認為需要外加的正反饋才可以實現，例如在光學諧振腔中的光學混沌；但是在這些傳統體系中，系統的響應函數仍然是具有時間不變性的，整體輸出的不穩定性源于輸入信號的微弱偏差在正反饋過程中不斷被放大。然而，團隊成員的研究揭示了材料體系本身就存在著一個本征的不穩定相，此時系統的響應函數是不具有時間不變性的；即使輸入信號絕對穩定，也不會對應一個穩定的輸出，與一般的光學混沌等現象存在本質的區別。光學本征不穩定相是由量子力學中的多體相互作用導致。

該工作北京理工大學為第一單位，物理學院陳宇輝研究員和瑞典隆德大學Sebastian Horvath博士為該工作共同第一作者，陳宇輝研究員和張向東教授為通訊作者。該工作得到了國家自然科學基金，北京理工大學青年教師學術啟動計劃以及北京理工大學青年科技創新計劃的支持。

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https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.126.110601