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南開大學(xué)科學(xué)家成功制備非線性調(diào)控高階拓撲態(tài)
發(fā)布時間:2021.09.29        閱讀次數(shù):

近年來,拓撲絕緣體的研究打破了人們對于傳統(tǒng)體—邊對應(yīng)原理的認知,發(fā)現(xiàn)了一種不同于傳統(tǒng)拓撲相的新型拓撲絕緣體—高階拓撲絕緣體,加深了拓撲物理和物態(tài)調(diào)控的研究。

一直以來,連續(xù)譜中的束縛態(tài)也是研究者們關(guān)注的前沿課題。只是一直存在疑問的是,高階拓撲態(tài)和連續(xù)譜中的束縛態(tài)是否有何關(guān)系?非線性與該類拓撲結(jié)構(gòu)的相互作用又具有怎樣的動力學(xué)過程?這些問題的探索對基礎(chǔ)概念的理解和開發(fā)新穎光子學(xué)器件都有重要意義。

南開大學(xué)物理學(xué)院/泰達應(yīng)用物理研究院教授陳志剛、許京軍領(lǐng)導(dǎo)的課題組與克羅地亞薩格勒布大學(xué)、加拿大國立科學(xué)研究院的課題組合作研究,首次從實驗和理論上研究了非線性對連續(xù)譜(非帶隙)中的高階拓撲束縛態(tài)的調(diào)控。發(fā)現(xiàn)了弱非線性調(diào)控下高階拓撲角態(tài)與拓撲邊界態(tài)之間的相互轉(zhuǎn)化以及強非線性作用下拐角處“孤子”的形成。這一創(chuàng)新成果啟發(fā)了人們對高階拓撲物理中非線性效應(yīng)的認識。該研究成果近日在線發(fā)表在Light: Science & Applications期刊。

填補空白

近年來,拓撲光子學(xué)已成為光子學(xué)中一個活躍的新興研究領(lǐng)域。拓撲與物理的結(jié)合來源于對凝聚態(tài)物理中拓撲物態(tài)的研究,人們驚奇地發(fā)現(xiàn)量子霍爾效應(yīng)中整數(shù)倍的電導(dǎo)率本質(zhì)上來源于體系的拓撲特性。自此之后,拓撲與物理學(xué)中不同領(lǐng)域的結(jié)合迎來了爆發(fā)式地發(fā)展,例如在光子學(xué)、聲學(xué)、極化激元和冷原子體系等,都吸引了廣泛地關(guān)注。尤其是拓撲光子學(xué)的研究正方興未艾。

2009年,有科學(xué)家基于旋磁性光子材料首次在實驗上觀測到單向傳輸?shù)耐負溥吔鐟B(tài),光子學(xué)拓撲絕緣體也因此被清晰地提出和實現(xiàn),自此拓撲光子學(xué)逐漸成為光子學(xué)中最活躍的研究領(lǐng)域之一。隨后,不同類型的光子拓撲絕緣體相繼被發(fā)現(xiàn)和研究,傳統(tǒng)拓撲絕緣體遵循體—邊界對應(yīng)原則,直到最近人們發(fā)現(xiàn)存在一種新穎的高階拓撲相,不遵循傳統(tǒng)的體—邊界對應(yīng)原則,并形成了高階拓撲物理這一領(lǐng)域。

另一方面,長久以來,非線性光學(xué)作為現(xiàn)代光學(xué)中一個重要的研究分支,因其新穎的物理機制以及巨大的潛在應(yīng)用如物質(zhì)結(jié)構(gòu)分析、激光技術(shù)等深受研究者們的追捧。但由于實驗材料的限制以及理論的復(fù)雜性,大多數(shù)的高階拓撲物理研究主要集中在線性階段,而線性的高階拓撲態(tài)通常具有靜態(tài)和魯棒性的特點,如何實現(xiàn)體系角模式與邊界模式的動力學(xué)轉(zhuǎn)化?抑或如何實現(xiàn)不同角模式之間信息的傳遞?非線性的引入顯得尤為重要。無論是在電子還是光學(xué)世界里,非線性效應(yīng)的引入都帶來了許多新穎的物理現(xiàn)象,例如非線性誘導(dǎo)的光學(xué)拓撲絕緣體、拓撲光孤子等新現(xiàn)象,非線性光學(xué)對激光技術(shù)、光譜學(xué)的發(fā)展以及物質(zhì)結(jié)構(gòu)分析等都有重要意義。

但是對于一個同時具有高階拓撲屬性并支持連續(xù)譜中的束縛態(tài)的復(fù)雜系統(tǒng),在目前的非線性效應(yīng)研究中幾乎是空白。

針對這一空白,南開大學(xué)的研究人員利用自主研發(fā)的連續(xù)激光直寫技術(shù),在兩個厘米的弱光非線性晶體中,首次成功制備了非線性高階拓撲光子晶格(2D SSH),進而實現(xiàn)了非線性對連續(xù)譜中高階拓撲態(tài)的調(diào)控,并且理論上進一步解釋了非線性高階拓撲體系的拓撲不變量。結(jié)果證明,弱非線性調(diào)控下(自聚焦和自散焦)體系的拓撲角模式和邊界模式隨著傳輸距離發(fā)生相互轉(zhuǎn)換,強非線性調(diào)控下形成拐角處“孤子”態(tài)。該成果改變了人們對非線性復(fù)雜系統(tǒng)中多重特性相互作用的認知,為高階拓撲光子學(xué)和非線性光學(xué)提供了新的研究方向。“這一研究首次利用光學(xué)非線性,實驗演示了高階拓撲態(tài)和連續(xù)譜中的束縛態(tài)之間的內(nèi)稟關(guān)聯(lián)?!标愔緞傇诮邮堋吨袊茖W(xué)報》采訪時表示。

重要發(fā)現(xiàn)

實驗中,研究人員在非線性光折變晶體鈮酸鍶鋇(SBN)中采用連續(xù)激光直寫技術(shù)成功制備出具有邊界的2D SSH拓撲光子晶格?!巴負渚Ц癖旧砜梢跃哂胁煌木Ц駥ΨQ性,比如我們這個工作用的是二維SSH光子晶格,幾何結(jié)構(gòu)具有四重旋轉(zhuǎn)對稱?!标愔緞偨忉屨f,這種晶格的特殊不僅在于它具有幾何旋轉(zhuǎn)對稱,還具有所謂的手性對稱性(chiralsymmetry)。而二維SSH光子晶格的四重旋轉(zhuǎn)對稱性和手性對稱性的并存,是該體系中高階拓撲態(tài)成為連續(xù)譜束縛態(tài)的關(guān)鍵。

“局域態(tài)通常只存在于晶格體系的帶隙中,我們的工作從實驗上演示了如何通過設(shè)計拓撲晶格的對稱性實現(xiàn)連續(xù)譜(無帶隙)局域態(tài),并且發(fā)現(xiàn)在非線性條件下高階拓撲角態(tài)能夠被獨立激發(fā)而不與體態(tài)耦合?!?南開博士生,該工作第一作者胡志嬋說,這一發(fā)現(xiàn)對利用高階拓撲角態(tài)設(shè)計和實現(xiàn)高品質(zhì)因子的拓撲光腔等光子學(xué)器件具有廣闊的實際意義。

此前,該課題組就已經(jīng)在《科學(xué)》發(fā)文闡述過,自然界中存在無數(shù)的新奇現(xiàn)象,有的源于體系的拓撲性或是對稱性,有的源于材料的非線性,但要找到一種能賦有多種特性的天然材料或是實體存在的物質(zhì)體系卻非常困難?!岸@項研究就是一個利用人工材料探索高階拓撲,晶格對稱,和光學(xué)非線性相互作用規(guī)律的一個典例。不僅會推動非線性拓撲光子學(xué)的發(fā)展,對其它學(xué)科如凝聚態(tài)物理和材料科學(xué)相關(guān)的基礎(chǔ)研究都有一定的借鑒作用。對利用高階拓撲光腔開發(fā)新型半導(dǎo)體激光器也有深遠影響?!标愔緞偙硎?。

接下來,研究人員還將集中精力繼續(xù)深入研究怎樣將高階拓撲“角態(tài)”設(shè)計在晶格體內(nèi),怎樣利用合成維度實現(xiàn)高維拓撲態(tài),怎樣利用高階拓撲態(tài)實現(xiàn)拓撲光腔不同模式的激射。