宇宙起源是現代物理學的基本科學問題。雖然愛因斯坦廣義相對論成功地描述了宇宙的演化，但是宇宙起源的時空奇點是需要量子力學來解釋。

因此，為了解釋目前很多觀測的宇宙現象，特別是早期宇宙起源，理論物理學家采用量子場論模型描述宇宙時空的性質，認為宇宙時空像是一種“凝聚態量子物質”，宇宙從大爆炸誕生、演化到現在，隨著溫度的降低，宇宙時空會經過一系列量子相變過程，這種相變會導致時空真空場的對稱性破缺，而在宇宙中留下各種拓撲缺陷，例如磁單極子和宇宙弦等。通過探測這些時空的拓撲缺陷，人們不但可以追溯早期宇宙的誕生過程，而且觀測量子引力效應和研究時空的本質。雖然人們已經開始嘗試尋找時空拓撲缺陷，但由于人類太空量子探測技術的局限，目前尚未成功。另外，基于宇宙時空與凝聚態物質的類比關系，理論物理學家提出了變換光學的方法，主要是在凝聚態介質中通過連續改變物質的屬性，模擬引力場彎曲時空，從而在實驗上檢驗和演示各種彎曲時空中光子態的演化特性和量子效應，例如：光子黑洞、霍金輻射效應、宇宙膨脹紅移等。

近些年，南京大學物理學院介電體超晶格實驗室的祝世寧、劉輝研究組利用變換光學芯片，開展了彎曲時空中光子態演化特性的實驗研究,取得系列成果。最近研究組的盛沖博士制備了一種二維彎曲超材料，實現一種新型的具有軸向旋轉對稱的各項異性變換光學介質，旋轉對稱中心可以模擬一維時空拓撲缺陷: 宇宙弦(圖一(a))。

圖一 (a)宇宙弦拓撲時空的嵌入圖; (b) 宇宙弦拓撲時空的角度缺損; (c)負質量宇宙弦對光線的排斥；(d)正質量宇宙弦對光線的吸引。

雖然宇宙弦不會像其他質量的天體在周圍時空中直接產生引力場，但是會造成周圍時空拓撲結構的改變，導致時空角度的缺損或盈余(圖一(b))，光在這種拓撲時空中傳播的時候，無論光子的入射位置、傳播方向、波長、偏振方向如何，都會產生一個確定的偏轉角Δ=8πGμ，偏轉的角度數值只決定于宇宙弦的質量密度μ，這是宇宙弦拓撲時空魯棒性的體現。對于負質量密度的宇宙弦μ<0，偏轉角度為Δ<0, 光線將被宇宙弦排斥(圖一(c)); 對于正質量密度的宇宙弦μ>0，偏轉角度為Δ>0, 光線將被宇宙弦吸引(圖一(d))。實驗中，研究組通過調節結構參數，制備得到了對應負質量和正質量宇宙弦的光學芯片(圖二(a)(e))，并通過顯微熒光探針技術直接觀察到了光束經過拓撲缺陷產生的偏折，實驗測量的偏折角度具有時空拓撲保護的魯棒特性，與入射光束的位置、方向等因素都無關(圖二(b-d),(f-h))。

圖二 二維彎曲超材料模擬負質量宇宙弦(a)和正質量宇宙弦(e); 負質量宇宙弦排斥光束的實驗結果(b-d); 正質量宇宙弦吸引光束的實驗結果(f-h). 

普通的光學介質在對光場進行操控的時候，總會改變光場的部分性質，讓光場攜帶的信息丟失，例如最簡單的光學反射會翻轉光場的左右分布(圖三(a)), 而普通天體引力透鏡會導致光場的形變和發散(圖三(b)),而宇宙弦拓撲時空中光場的傳遞是具有很好的魯棒性，光場的分布被整體地保護起來，光信息的傳遞基本沒有損失(圖三(c))。為了進一步證明這種拓撲時空對光信息的無損傳遞特性，研究組將各種復雜光場耦入光學芯片中，例如多光束光場(圖三(d))和Airy光束(圖三(e))，實驗結果顯示光場在拓撲時空中傳輸，光場被很好地保護起來而沒有被破壞。

圖三(a)普通光學反射; (b)普通天體的引力透鏡效應; (c) 拓撲時空中光場的傳輸; (d) 光學芯片中多光束傳輸實驗; (e) 光學芯片中Airy光束傳輸實驗; (f)宇宙真空場的自發對稱性破缺; (g)調節材料損耗模擬拓撲相變; 相變過程中超材料光學模式的改變(h)與對稱性破缺(i)。 

根據當代量子宇宙模型，時空缺陷是在宇宙量子相變過程中，真空場自發對稱性破缺所導致的結果(圖三(f))。研究組通過在光學芯片中調節材料損耗系數來模擬時空的拓撲相變過程(圖三(g))。結果表明當材料損耗較大，超材料表現為各項同性 (圖三(h))，真空場處于對稱相(圖三(i))，時空無拓撲特性；當材料損耗降低至臨界點以下，超材料表現為各項異性(圖三(h))，真空場對稱性自發破缺(圖三(i))，時空具有非平庸拓撲特性。這些結果顯示損耗可以做新的自由度在芯片上調控光子的拓撲性質。

該工作近期發表在“Definite photon deflections of topological defects in metasurfaces and symmetry-breaking phase transitions with material loss” Nature Communications 9:4271 (2018), 研究組博士后盛沖是第一作者, 廈門大學的陳煥陽教授參與理論分析，祝世寧院士參與了討論和文章的修改, 南京大學是第一單位。該工作得到固體微結構物理國家重點實驗室和人工微結構科學與技術協同創新中心的支持，國家自然科學基金重大項目"光子態的時空演化與應用" (No.11690033)和科技部量子調控項目"人工微結構中新奇量子、類量子效應研究" (No.2017YFA0303702)的資助，在此表示感謝。

來源：知社學術圈