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)是否有何關系?非線性與該類拓撲結構的相互作用又具有怎樣的動力學過程?這些問題的探索對基礎概念的理解和開發(fā)新穎光子學器件都有重要意義。

南開大學物理學院/泰達應用物理研究院教授陳志剛、許京軍領導的課題組與克羅地亞薩格勒布大學、加拿大國立科學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，拓撲光子學已成為光子學中一個活躍的新興研究領域。拓撲與物理的結合來源于對凝聚態(tài)物理中拓撲物態(tài)的研究，人們驚奇地發(fā)現(xiàn)量子霍爾效應中整數(shù)倍的電導率本質(zhì)上來源于體系的拓撲特性。自此之后，拓撲與物理學中不同領域的結合迎來了爆發(fā)式地發(fā)展，例如在光子學、聲學、極化激元和冷原子體系等，都吸引了廣泛地關注。尤其是拓撲光子學的研究正方興未艾。

2009年，有科學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)，自此拓撲光子學逐漸成為光子學中最活躍的研究領域之一。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—邊界對應原則，并形成了高階拓撲物理這一領域。

另一方面，長久以來，非線性光學作為現(xiàn)代光學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用如物質(zhì)結構分析、激光技術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世界里，非線性效應的引入都帶來了許多新穎的物理現(xiàn)象，例如非線性誘導的光學拓撲絕緣體、拓撲光孤子等新現(xiàn)象，非線性光學對激光技術、光譜學的發(fā)展以及物質(zhì)結構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)的復雜系統(tǒng)，在目前的非線性效應研究中幾乎是空白。

針對這一空白，南開大學的研究人員利用自主研發(fā)的連續(xù)激光直寫技術，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雜系統(tǒng)中多重特性相互作用的認知，為高階拓撲光子學和非線性光學提供了新的研究方向。“這一研究首次利用光學非線性，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)稟關聯(lián)。”陳志剛在接受《中國科學報》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)激光直寫技術成功制備出具有邊界的2D SSH拓撲光子晶格。“拓撲晶格本身可以具有不同的晶格對稱性，比如我們這個工作用的是二維SSH光子晶格，幾何結構具有四重旋轉(zhuǎn)對稱。”陳志剛解釋說，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)設計和實現(xiàn)高品質(zhì)因子的拓撲光腔等光子學器件具有廣闊的實際意義。

此前，該課題組就已經(jīng)在《科學》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。“而這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的發(fā)展，對其它學科如凝聚態(tài)物理和材料科學相關的基礎研究都有一定的借鑒作用。對利用高階拓撲光腔開發(fā)新型半導體激光器也有深遠影響。”陳志剛表示。

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。(袁一雪 胡志嬋)

關鍵詞： 南開大學 拓撲絕緣體 非線性調(diào)控高階拓撲態(tài)