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近期,北京理工大学物理学院路翠翠和武汉大学肖孟教授、香港科技大学陈子亭教授等人合作,提出利用光晶格平移量作为合成维度构建拓扑态,实现了光子晶体拓扑彩虹和慢光效应,该理论成果发表在物理学领域的顶级期刊Physical Review Letters上。

以光子爲信息載體的微納全光器件在光通信、光信息處理、光計算等領域有著重要應用,是實現下一代光子芯片的核心元器件。近年來,拓撲的概念從凝聚態物理中拓撲物態的研究擴展到了光學、聲學和冷原子體系等領域,極大地促進了拓撲物理學的發展,尤其是拓撲光子學逐漸成爲光學和相關科學領域一個重要的前沿交叉領域。拓撲光子態由于受到拓撲保護,與傳統的光子態相比,具有魯棒性和抗幹擾等優點,因此拓撲態爲微納全光器件的實提供了新平台。過去幾年,研究者的興趣主要聚焦在實現拓撲態的方法和拓撲態的新奇性質上(例如單向傳輸、高階拓撲、拓撲激光等),幾乎都是針對特定能帶和特定頻段進行研究,而針對不同頻率拓撲態的器件實現,還沒有很好的解決方法。

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图1 以四方晶格为例构建不同频率拓扑彩虹囚禁。(a)界面左边为完美光子晶体,右侧为引入合成维度的光子晶体,光源放置结构左侧;(b)结构支持的不同频率的拓扑态模式;(c)不同频率入射时囚禁在光子晶体界面处不同位置,频率越大,囚禁位置逐渐向下移动。

北京理工大學物理學院路翠翠等人在基于智能算法的傳統光波長路由器件(Optica,6,1367,2019)的基礎上,進一步在物理層面提出在光子晶體中引入合成維度爲實現拓撲態光波長路由器件提供了新思路。研究發現當光晶格中的合成維度從零逐漸變化一個晶格常數時,Zak相位恰好爲2π,對應拓撲邊界態的出現。這種合成維度允許線性漸變、正余弦函數等多種方式的構建,不同的合成維度能夠實現對不同頻率的拓撲態的“囚禁”,因此在光子晶體晶格的不同位置得到的電場最大值對應不同頻率的拓撲態,即“拓撲彩虹”。結構簡單,易于實現,爲拓撲路由、拓撲態慢光、拓撲態光存儲等應用奠定了基礎。利用該方法能夠在無需打破時間反演對稱的條件下,構造多個拓撲邊界態和大陳數的“陳拓撲絕緣體”。與傳統分頻率的彩虹器件相比,在遇到結構整體縮放、隨機誤差引入、材料缺陷或雜質幹擾等,傳統彩虹器件很容易受影響而偏離工作波段甚至完全消失,而這種基于合成維度的彩虹受拓撲保護,必然存在。

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图2 不同合成维度(横坐标)对应不同频率(纵坐标)拓扑态,且不同拓扑态具有不同的群速度,图中绿色虚线位置对应群速度为零。

該方法具有很好的普適性,只需要光子晶體具有帶隙(一般光子晶體都能滿足),對晶格類型、對稱性、波段等沒有限制;同時該拓撲態的實現對材料也沒有限制,自然界中可見光和近紅外波段的光學材料幾乎都沒有磁響應,而該方法無需具有磁響應的材料,一般的介質材料都能滿足,因此爲納米尺度光頻波段的拓撲態器件的實現提供了可靠的解決方法,同時爲片上集成的拓撲光子納米器件提供了新思路。北京理工大學路翠翠副研究員、武漢大學肖孟教授和香港科技大學陳子亭教授爲論文的共同通訊作者,北京理工大學本科生王晨陽和香港科技大學張肇慶教授同時做出了重要貢獻。該工作得到了國家自然科學基金重大研究計劃培育項目、青年項目、應急管理項目、北京理工大學青年教師學術啓動計劃、山東師範大學光場調控及應用中心和華爲技術有限公司等的支持。

文章信息:Cuicui Lu,* Chenyang Wang, Meng Xiao,? Z. Q. Zhang, C. T. Chan,? "Topological Rainbow Concentrator Based on Synthetic Dimension", Physical Review Letters 126, 113902 (2021).

文章鏈接:https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.126.113902


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