摘要：自发辐射是原子物理学的基石之一，是激发态量子发射体向低能态跃迁并释放光子的过程。传统上，控制自发辐射衰减速率的努力主要集中在空间工程上，例如利用Purcell效应的腔体结构或空间周期性的光子晶体来调控局域光子态密度。然而，随着时间维度在光子学中的引入，一个全新

自发辐射是原子物理学的基石之一，是激发态量子发射体向低能态跃迁并释放光子的过程。传统上，控制自发辐射衰减速率的努力主要集中在空间工程上，例如利用Purcell效应的腔体结构或空间周期性的光子晶体来调控局域光子态密度。然而，随着时间维度在光子学中的引入，一个全新的研究领域——时变光子学——正在兴起，其中光子时间晶体成为了探索光与物质非平衡相互作用的理想平台。

光子时间晶体是一种介电常数或其他光学参数随时间周期性调制的介质。这种时间上的周期性打破了能量守恒定律，引入了全新的物理特性，并对自发辐射这一基本量子过程产生了深远的影响。最近发表在PRL的理论研究不仅揭示了光子时间晶体中自发辐射衰减率的显著增强，更提出了一个前所未有的非平衡相互作用过程：自发辐射激发。

在传统光子晶体中，材料的介电常数在空间上周期性变化，从而产生光子带隙，即特定频率范围内的光子无法传播。当发射体被放置在光子带隙中时，其自发辐射会被抑制，因为该频率处的光子态密度为零（Purcell 抑制）。反之，如果发射体的频率与带隙边缘的局域态共振，自发辐射则会被增强（Purcell 增强）。

光子时间晶体则将这种周期性从空间维度扩展到了时间维度。对光子时间晶体中电磁波动力学的分析，主要依赖于Floquet 理论，该理论适用于分析周期性驱动的系统。在这种时变介质中，周期性调制将能量色散曲线折叠，在波数-频率空间中打开动量带隙。与传统光子带隙不同，这个动量带隙的边缘往往由非厄米动力学支配，其特点是存在非对易耦合和奇异点。

在非厄米理论框架下分析光子时间晶体的性质，对于理解其内部的光-物质相互作用至关重要。

在光子时间晶体中，动量带隙的形成与伪厄米性的破缺紧密相关，带隙边缘对应于奇异点。这种非厄米特性意味着系统的本征频率具有复数值，其中实部对应于准频率，而虚部则代表增益或损耗。

传统的自发辐射衰减率γ 通常与局域光子态密度ρ(ω) 成正比，即γ∝ρ(ω)（费米黄金法则）。在光子时间晶体中，对光子衰减率的量化必须考虑到时间周期性引入的增益和损耗区域，这反映在动量分辨光子态密度(kDOS)的正负上。

研究表明，在光子时间晶体的动量带隙频率处，自发辐射衰减率会显著增强，而非像传统空间光子带隙那样被抑制。这种增强的物理机制有两个关键因素：

这一发现不仅修正了先前对光子时间晶体效应的预测（曾有研究认为该频率处的衰减率会完全消失），也证实了非厄米动力学在光子学中的巨大调控潜力。

除了对衰减率的增强之外，光子时间晶体最令人着迷的预测是它能够实现一种全新的、非平衡的光-物质相互作用：自发辐射激发。

在传统的量子电动力学中，自发辐射是原子从激发态衰减到基态并释放光子；而激发则需要吸收一个光子。这两个过程的方向是相反的。然而，在光子时间晶体提供的非平衡环境中，理论预测可以实现：原子（基态）→原子（激发态）+光子。这意味着一个原子可以自发地从其基态跃迁到激发态，同时伴随一个光子的发射。

这种反常的“自发激活”现象是通过光子时间晶体中调制引入的增益区域触发的。在非平衡系统中，能量守恒的概念被广义化，周期性驱动场可以作为能量的“泵”，将能量注入系统，从而允许这种从基态到激发态的非平衡跃迁发生。

自发辐射激发是光子时间晶体开启非平衡光子学新篇章的关键标志，它暗示了在动态介质中，光与物质的相互作用远比我们所知的更加丰富和复杂。

光子时间晶体中的自发辐射衰减与激发的研究，代表了光子学从空间调制向时空调制的深刻范式转变。通过应用Floquet 分析和非厄米理论，科学家们不仅解决了对动量带隙处自发辐射衰减率的争议，揭示了 Petermann 因子和非正交性对衰减和激发速率的显著影响，更发现了自发辐射激发这一突破传统认知的光-物质非平衡相互作用过程。

这些发现为量子信息科学和光子技术提供了强大的新工具。对衰减率的精确、大幅度控制，有助于设计高效的量子发射器和单光子源；而自发辐射激发的实现，则为探索非平衡态物理和开发新型光放大器或激光器提供了理论基础。随着实验技术，如时间周期性调制微波谐振器阵列的发展，这些理论预测正逐步得到验证。光子时间晶体无疑将成为下一代量子光学和光子集成电路研究的核心，推动非平衡光子学迈向实际应用的新阶段。

来源：万象经验一点号