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李正斌课题组研究成果发表于,现代通信研究所

时间:2019-11-17 04:34来源:信息科学
区域光纤通信网与新型光通信系统国家重点实验室、北京大学信息科学技术学院彭超副教授、李正斌教授课题组关于光连续区束缚态的理论研究取得重要进展,研究成果发表于近期的《

区域光纤通信网与新型光通信系统国家重点实验室、北京大学信息科学技术学院彭超副教授、李正斌教授课题组关于光连续区束缚态的理论研究取得重要进展,研究成果发表于近期的《物理评论快报》。论文第一作者为硕士研究生杨易,通讯作者为彭超副教授。

拓扑性质是几何或空间在连续改变形状后仍然保持不变的一些性质。将拓扑效应引入凝聚态物理系统,被证明是理解微观奇异世界的关键之一。2016年,凝聚态材料中的拓扑相与拓扑相变被授予诺贝尔物理学奖。然而,当前拓扑物理学领域鲜见对开放系统拓扑性质的实验观测,这是由于开放系统是能量不守恒的体系,能量的增长或泄露都将增大体系复杂性和测量难度。

如何在微小尺度实现光场束缚是光电子领域一个广为关注的问题,是构造光缓存、光逻辑和光量子信息关键器件的前提和基础。传统上,一般通过光学或表面等离基元的微腔来完全禁止光逃逸,进而实现光束缚。然而研究发现,即使在允许光逃逸的情况下仍然可能实现光束缚,即所谓连续区束缚态。

用光子学方法研究物理体系的拓扑性质,是理解拓扑物理学基本原理的一种有效手段。作为一种由成千上万周期性分布的介质微结构所组成的人造晶体,光子晶体完美体现了凝聚态量子系统的物理规律。处于光锥之上的光子可从光子晶体中逃逸,因此该体系实际上就是一个非厄米系统。通过测量逃逸光子的状态,即可直接实验观测体系的拓扑性质。

最近,有关光子系统中连续区束缚态的理论和实验工作相继被报道。这些工作都要求光子系统具有一定的对称性,利用对称性导致的相消干涉抑制光场的逃逸。最近,麻省理工学院研究组在某些看似非常平凡的波矢处观察到了光束缚态现象,并在《自然》上报道了这一发现。这些波矢似乎并不要求满足对称性条件,甚至可以通过控制某些参数实现束缚态的连续可调。这一现象的内在物理机制亟需理论解释。

北京大学信息科学技术学院现代通信研究所、区域光纤通信网与新型光通信系统国家重点实验室彭超副教授,与麻省理工学院物理学系Marin Soljacic教授课题组,宾夕法尼亚大学物理学与天文学系Bo Zhen助理教授合作,对非厄米系统的拓扑性质展开直接实验研究,成功观测到非闭合的费米弧和偏振态半核现象。

图片 1

费米弧是能量等高线上具有开放端点的不闭合弧——这一现象打破了能量等高线必为闭合曲线的直观认知,一般被认为存在于三维体系的二维表面上。与之不同的是,彭超等人实验观测的费米弧来自三维体系自身,而非其二维表面,因此被叫做体费米弧。体费米弧连接了系统中的两个辐射奇异点,体现出非厄米系统的拓扑性质。同时,他们还观测到系统内拓扑性质的另一种表现——光子偏振态半核;也就是说,光子偏振在波矢空间以一定的闭合路径扭转半圈,类似于形成偏振态上的莫比乌斯环。宾州州立大学物理学系Mikael Rechtsman助理教授对这项工作给出有趣的评价:“系统损耗往往被认为是一种阻碍,而这里却成为获取系统拓扑性质的有效途径。”

图1 观测到非Gamma点可调谐束缚态的光子晶体平板结构; 基本格子;不同面内波矢情况下的相位匹配条件

2018年1月11日,上述工作的相关成果以《成对辐射奇异点体系中体费米弧和偏振态半核的观测》为题,在线发表于《科学》;彭超为共同第一作者。在国家自然科学基金、国家留学基金青年骨干教师出国研修项目资助下,彭超与其合作者的研究融合了拓扑物理学、非厄米系统物理学和奇点光学,为拓扑光子学领域开拓了新方向。

在前期光子晶体导模共振效应相关研究的基础上,课题组深入分析了光子系统中的光场作用机制和耦合过程,提出解析模型,发现这种连续可调的光束缚效应是由一种偶然对称性导致的, 。由于这种对称性,逃逸光场产生了带权重的干涉相消效应,从而实现光束缚。干涉效应的权重可以被多种物理参数调控,从而产生连续可调的光束缚态。该解析模型结果与麻省理工学院报道的实验结果完全吻合。而且,基于类似的对称性,理论上预言了另一个连续区束缚态的存在,并用数值计算进行了验证。该工作澄清了可调光连续区束缚态现象的内在物理机制,为实现精确的光束缚操控和设计奠定了基础;此外,所得模型也为硅基光子器件中实现连续可调的光束缚提供了一种简洁的分析研究手段,在光缓冲、光逻辑、光信号处理和量子信息调控等方向的研究中具有巨大应用潜力。

图在成对奇异点附近所观测到的奇特拓扑景象

图2. 非Gamma点光连续区束缚态的可调谐性

这项研究工作得到了国家重点基础研究发展规划、国家自然科学基金、区域光纤通信网与新型光通信系统国家重点实验室的支持。

编辑:信息科学 本文来源:李正斌课题组研究成果发表于,现代通信研究所

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