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【1414期】《科学》发表我校拓扑光子学领域新成果
来源: 南开大学报 发稿时间:2021-05-05 10:57
非线性调控非厄米拓扑态

  本报讯(记者 乔仁铭)宇宙中存在诸多神奇的时空对称性。天地间无数的新奇现象,有的源于结构的拓扑性,有的源于材料的非线性,还有的源于能同时满足时空对称的“宇称时间(PT)对称性”。然而,自然界中要找到一种能赋有多种特性的天然材料或是实体存在的物质体系却非常困难。如何从实验中构建出兼有多种特性的人工复杂体系,打开探索大自然奥妙的窗口,成了当今物理乃至相关交叉学科研究的前沿课题。
  我校物理科学学院、泰达应用物理研究院教授陈志刚、许京军带领的课题组与克罗地亚萨格勒布大学、希腊克里特大学、德国罗斯托克大学课题组开展合作研究,在国际上首次建立了一个非线性非厄米拓扑光子学平台,实现了利用非线性在光学体系对宇称时间对称性和非厄米拓扑态的调控。团队还发现了非厄米体系中拓扑态在接近决定PT对称破损的奇异点时,敏感性和鲁棒性的拮抗效应,以及通过局域非线性对系统整体PT对称性的操控原理。这一创新成果改变了人们对开放拓扑体系中非线性效应的认识,为非线性拓扑光子学及其相关前沿领域的研究开辟了新方向。日前,介绍该工作的论文发表在国际顶级学术期刊《科学》(Science)上。
  近年来,拓扑光子学和非厄米光学成为光子学中两个最活跃的研究领域。由于实验和理论上的困难,过去拓扑光子学和非厄米光学的大多数研究都集中在线性效应上。然而,无论是在经典世界还是量子世界,非线性效应比比皆是,塑造了自然界的多元化也促进了应用科学的发展。直到最近人们发现,在光学拓扑系统中考虑非线性时会出现许多有趣的现象,比如:拓扑光孤子、拓扑激光等。但是,拓扑和非厄米的“联姻”才刚开启,对于一个同时具有拓扑特性与非厄米特性的复杂系统,目前对非线性效应的研究几乎空白。即便在光学领域,还没找到或是搭建一个可调控的非线性非厄米拓扑光子学实验平台。
  针对这一空白,我校研究人员利用自主研发的连续激光直写技术,首次在非线性晶体中制备了非厄米拓扑光子晶格,实现了非线性对宇称时间对称性与非厄米拓扑态的调控,并且理论上进一步揭示了非线性效应对非厄米体系中奇异点的影响,以及拓扑态接近奇异点时敏感性和鲁棒性的拮抗效应。结果预示,局部非线性效应可以影响和改变系统的整体PT对称性,可以引起拓扑态的产生和消失以及对非厄米奇异点的动态调控。该成果改变了人们对非线性复杂系统中多重特性相互作用的认知,为拓扑光子学和非厄米光学提供了新的研究方向。
  我校为论文第一完成单位,我校博士生夏士齐、希腊克里特大学博士生Kaltsas和我校副教授宋道红为共同第一作者。我校讲席教授陈志刚,我校特聘教授、克罗地亚萨格勒布大学教授H.Buljan和希腊克里特大学教授K.Makris为共同通讯作者。合作者还包括德国罗斯托克大学教授A.Szameit等。相关研究得到了国家科技部重点研发计划项目、国家自然科学基金委项目资助。

编辑:吴军辉

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