近年來(lái)，拓?fù)浣^緣體的研究打破了人們對(duì)于傳統(tǒng)體—邊對(duì)應(yīng)原理的認(rèn)知，發(fā)現(xiàn)了一種不同于傳統(tǒng)拓?fù)湎嗟男滦屯負(fù)浣^緣體—高階拓?fù)浣^緣體，加深了拓?fù)湮锢砗臀飸B(tài)調(diào)控的研究。

一直以來(lái)，連續(xù)譜中的束縛態(tài)也是研究者們關(guān)注的前沿課題。只是一直存在疑問的是，高階拓?fù)鋺B(tài)和連續(xù)譜中的束縛態(tài)是否有何關(guān)系?非線性與該類拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的相互作用又具有怎樣的動(dòng)力學(xué)過(guò)程?這些問題的探索對(duì)基礎(chǔ)概念的理解和開發(fā)新穎光子學(xué)器件都有重要意義。

南開大學(xué)物理學(xué)院/泰達(dá)應(yīng)用物理研究院教授陳志剛、許京軍領(lǐng)導(dǎo)的課題組與克羅地亞薩格勒布大學(xué)、加拿大國(guó)立科學(xué)研究院的課題組合作研究，首次從實(shí)驗(yàn)和理論上研究了非線性對(duì)連續(xù)譜(非帶隙)中的高階拓?fù)涫`態(tài)的調(diào)控。發(fā)現(xiàn)了弱非線性調(diào)控下高階拓?fù)浣菓B(tài)與拓?fù)溥吔鐟B(tài)之間的相互轉(zhuǎn)化以及強(qiáng)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(duì)高階拓?fù)湮锢碇蟹蔷€性效應(yīng)的認(rèn)識(shí)。該研究成果近日在線發(fā)表在Light: Science &Applications期刊。

填補(bǔ)空白

近年來(lái)，拓?fù)涔庾訉W(xué)已成為光子學(xué)中一個(gè)活躍的新興研究領(lǐng)域。拓?fù)渑c物理的結(jié)合來(lái)源于對(duì)凝聚態(tài)物理中拓?fù)湮飸B(tài)的研究，人們驚奇地發(fā)現(xiàn)量子霍爾效應(yīng)中整數(shù)倍的電導(dǎo)率本質(zhì)上來(lái)源于體系的拓?fù)涮匦?。自此之后，拓?fù)渑c物理學(xué)中不同領(lǐng)域的結(jié)合迎來(lái)了爆發(fā)式地發(fā)展，例如在光子學(xué)、聲學(xué)、極化激元和冷原子體系等，都吸引了廣泛地關(guān)注。尤其是拓?fù)涔庾訉W(xué)的研究正方興未艾。

2009年，有科學(xué)家基于旋磁性光子材料首次在實(shí)驗(yàn)上觀測(cè)到單向傳輸?shù)耐負(fù)溥吔鐟B(tài)，光子學(xué)拓?fù)浣^緣體也因此被清晰地提出和實(shí)現(xiàn)，自此拓?fù)涔庾訉W(xué)逐漸成為光子學(xué)中最活躍的研究領(lǐng)域之一。隨后，不同類型的光子拓?fù)浣^緣體相繼被發(fā)現(xiàn)和研究，傳統(tǒng)拓?fù)浣^緣體遵循體—邊界對(duì)應(yīng)原則，直到最近人們發(fā)現(xiàn)存在一種新穎的高階拓?fù)湎?，不遵循傳統(tǒng)的體—邊界對(duì)應(yīng)原則，并形成了高階拓?fù)湮锢磉@一領(lǐng)域。

另一方面，長(zhǎng)久以來(lái)，非線性光學(xué)作為現(xiàn)代光學(xué)中一個(gè)重要的研究分支，因其新穎的物理機(jī)制以及巨大的潛在應(yīng)用如物質(zhì)結(jié)構(gòu)分析、激光技術(shù)等深受研究者們的追捧。但由于實(shí)驗(yàn)材料的限制以及理論的復(fù)雜性，大多數(shù)的高階拓?fù)湮锢硌芯恐饕性诰€性階段，而線性的高階拓?fù)鋺B(tài)通常具有靜態(tài)和魯棒性的特點(diǎn)，如何實(shí)現(xiàn)體系角模式與邊界模式的動(dòng)力學(xué)轉(zhuǎn)化?抑或如何實(shí)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(wú)論是在電子還是光學(xué)世界里，非線性效應(yīng)的引入都帶來(lái)了許多新穎的物理現(xiàn)象，例如非線性誘導(dǎo)的光學(xué)拓?fù)浣^緣體、拓?fù)涔夤伦拥刃卢F(xiàn)象，非線性光學(xué)對(duì)激光技術(shù)、光譜學(xué)的發(fā)展以及物質(zhì)結(jié)構(gòu)分析等都有重要意義。

但是對(duì)于一個(gè)同時(shí)具有高階拓?fù)鋵傩圆⒅С诌B續(xù)譜中的束縛態(tài)的復(fù)雜系統(tǒng)，在目前的非線性效應(yīng)研究中幾乎是空白。

針對(duì)這一空白，南開大學(xué)的研究人員利用自主研發(fā)的連續(xù)激光直寫技術(shù)，在兩個(gè)厘米的弱光非線性晶體中，首次成功制備了非線性高階拓?fù)涔庾泳Ц?2D SSH)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了非線性對(duì)連續(xù)譜中高階拓?fù)鋺B(tài)的調(diào)控，并且理論上進(jìn)一步解釋了非線性高階拓?fù)潴w系的拓?fù)洳蛔兞俊＝Y(jié)果證明，弱非線性調(diào)控下(自聚焦和自散焦)體系的拓?fù)浣悄Ｊ胶瓦吔缒Ｊ诫S著傳輸距離發(fā)生相互轉(zhuǎn)換，強(qiáng)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(duì)非線性復(fù)雜系統(tǒng)中多重特性相互作用的認(rèn)知，為高階拓?fù)涔庾訉W(xué)和非線性光學(xué)提供了新的研究方向。“這一研究首次利用光學(xué)非線性，實(shí)驗(yàn)演示了高階拓?fù)鋺B(tài)和連續(xù)譜中的束縛態(tài)之間的內(nèi)稟關(guān)聯(lián)。”陳志剛在接受《中國(guó)科學(xué)報(bào)》采訪時(shí)表示。

重要發(fā)現(xiàn)

實(shí)驗(yàn)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(shù)成功制備出具有邊界的2D SSH拓?fù)涔庾泳Ц瘛?ldquo;拓?fù)渚Ц癖旧砜梢跃哂胁煌木Ц駥?duì)稱性，比如我們這個(gè)工作用的是二維SSH光子晶格，幾何結(jié)構(gòu)具有四重旋轉(zhuǎn)對(duì)稱。”陳志剛解釋說(shuō)，這種晶格的特殊不僅在于它具有幾何旋轉(zhuǎn)對(duì)稱，還具有所謂的手性對(duì)稱性(chiralsymmetry)。而二維SSH光子晶格的四重旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性和手性對(duì)稱性的并存，是該體系中高階拓?fù)鋺B(tài)成為連續(xù)譜束縛態(tài)的關(guān)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(shí)驗(yàn)上演示了如何通過(guò)設(shè)計(jì)拓?fù)渚Ц竦膶?duì)稱性實(shí)現(xiàn)連續(xù)譜(無(wú)帶隙)局域態(tài)，并且發(fā)現(xiàn)在非線性條件下高階拓?fù)浣菓B(tài)能夠被獨(dú)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(shuō)，這一發(fā)現(xiàn)對(duì)利用高階拓?fù)浣菓B(tài)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)高品質(zhì)因子的拓?fù)涔馇坏裙庾訉W(xué)器件具有廣闊的實(shí)際意義。

此前，該課題組就已經(jīng)在《科學(xué)》發(fā)文闡述過(guò)，自然界中存在無(wú)數(shù)的新奇現(xiàn)象，有的源于體系的拓?fù)湫曰蚴菍?duì)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(shí)體存在的物質(zhì)體系卻非常困難。“而這項(xiàng)研究就是一個(gè)利用人工材料探索高階拓?fù)洌Ц駥?duì)稱，和光學(xué)非線性相互作用規(guī)律的一個(gè)典例。不僅會(huì)推動(dòng)非線性拓?fù)涔庾訉W(xué)的發(fā)展，對(duì)其它學(xué)科如凝聚態(tài)物理和材料科學(xué)相關(guān)的基礎(chǔ)研究都有一定的借鑒作用。對(duì)利用高階拓?fù)涔馇婚_發(fā)新型半導(dǎo)體激光器也有深遠(yuǎn)影響。”陳志剛表示。

接下來(lái)，研究人員還將集中精力繼續(xù)深入研究怎樣將高階拓?fù)?ldquo;角態(tài)”設(shè)計(jì)在晶格體內(nèi)，怎樣利用合成維度實(shí)現(xiàn)高維拓?fù)鋺B(tài)，怎樣利用高階拓?fù)鋺B(tài)實(shí)現(xiàn)拓?fù)涔馇徊煌Ｊ降募ど洹?袁一雪 胡志嬋)

關(guān)鍵詞： 南開大學(xué) 拓?fù)浣^緣體 非線性調(diào)控高階拓?fù)鋺B(tài)