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现代通信研究所彭超副教授与合作者在《科学》

发布时间:2019-11-01 10:44编辑:信息科学浏览(199)

    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。

    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。

    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。

    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。”

    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。

    图在成对奇异点附近所观测到的奇特拓扑景象

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