近日，国际物理学权威期刊《物理评论快报》(Physical Review Letters)以编辑推荐（Editors’ Suggestion）形式发表了北京大学物理学院肖云峰教授和龚旗煌院士在光学微腔混沌动力学研究方面的重要进展。他们首次在实验上研究了混沌光学微腔中的光子输运，揭示出初态敏感的光子演化路径。论文题为“Regular-Orbit-Engineered Chaotic Photon Transport in Mixed Phase Space”（URL: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.123.173903）。

光学微腔可以将光子长时间局域在很小的空间内，极大地增强了光和物质的相互作用，是光物理基础与前沿应用的重要平台之一。如同北京天坛的回音壁可以将声波汇聚在弯曲墙壁内侧进行传播，光学微腔中也有一种类似原理的模式，它利用的是光在介质微腔内表面的连续全反射，并通过相干叠加形成谐振。回音壁光学微腔具有超高品质因子和很小的模式体积，已被广泛应用于弱光非线性、强耦合腔量子电动力学和光声相互作用等物理过程，以及微纳尺度激光、高灵敏生化传感和精密测量等应用研究。

近年来，非对称光学微腔通过打破传统回音壁微腔的旋转对称性，获得了混沌光场，为操控光子行为提供了新的途径，成为研究混沌和非厄密动力学的重要工具。北京大学研究团队利用射线模型和波动仿真揭示了光场在混沌微腔中存在着两个绝然不同的演化路径，且对初态非常敏感。进一步的研究表明，光场在微腔的位置-角动量相空间中，可以沿着混沌动力学和规则-混沌动力学两条路径，由波导模式演化为高品质因子回音壁模式。其中，动力学隧穿过程连接了相空间中的不同结构，为模式间耦合提供了物理通道。

左图：混沌微腔中的射线模型；右图：射线模型动量空间结构以及演化路径

在实验中，研究团队在微腔-光纤耦合体系中巧妙的改变入射光场的角动量和空间角方位，从而精确调控了相空间中的激发初态，使得光场可以分别在混沌区域和规则区域中被激发。实验上研究人员通过测量透射谱的变化并统计模式耦合效率的规律，揭示出不同演化路径的显著差异，证明了混沌光场演化过程会受规则模式的调控，与理论上预测一致。

光场动力学演化的实验研究为光场调控提供了新工具，为高效集成光子器件的设计指明了新方向。论文第一作者为物理学院2017级博士研究生陈立坤，通信作者为肖云峰教授，合作者包括物理学院研究生顾羽中、曹启韬，德国马格德堡大学Jan Wiersig教授。

研究工作得到了国家自然科学基金委、科技部、人工微结构和介观物理国家重点实验室、纳光电子教育部前沿科学中心和极端光学协同创新中心等的支持。