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南开大学在非线性拓扑光子学领域取得重要进展
2020-09-03 10:01:00
南开大学
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  近日,南开大学陈志刚教授、许京军教授领导的课题组与克罗地亚Zagreb大学Hrvoje Buljan教授的课题组合作研究,在非线性拓扑光子学领域取得了重要进展:他们基于一维SSH拓扑光子晶格,实验和理论上研究了光与拓扑光学微结构的非线性相互作用,发现了非线性导致的体态模式向拓扑界面态模式的耦合,并构建出了普适的非线性模式耦合的理论框架。该研究成果以“ Nontrivial coupling of light into a defect: the interplay of nonlinearity and topology ”为题发表在Light: Science & Applications上。

  近年来,拓扑光子学是光学中最活跃的新兴研究领域之一。拓扑是为了理解量子霍尔效应等基本物理现象而引入的数学概念,成功地解释了量子霍尔效应,并促进了拓扑绝缘体的发展。当两种具有不同拓扑不变量的结构拼接在一起时,由于体-边界的对应原理,会在两种结构的交界面产生具有鲁棒特性单向传输的界面态。由于拓扑概念可用来描述能带结构的性质,这种体-边界对应关系普遍存在于量子和经典波动系统周期结构中。随着2009年微波波段单向传输的拓扑边界态在实验上首次被观测到,光子学拓扑绝缘体以及光的拓扑特性相关的一系列研究相继在许多不同的光学材料中得以实现,比如波导阵列、耦合谐振腔及超构材料等,逐渐形成了方兴未艾的光子学分支:拓扑光子学。

  目前,由于实验和理论上的一些困难,大多数拓扑光子学的研究工作主要集中在线性的拓扑效应上。然而,非线性效应的引入可能带来许多新颖的物理现象。比如在电子体系中,拓扑结构与多体相互作用能够产生分数量子霍尔效应;在光子体系中,非线性的引入不仅会产生拓扑光孤子、非线性诱导的光学拓扑相变等新现象,也可以实现非线性拓扑频率转换以及拓扑激光等新的应用。尽管在人们非线性拓扑光子学领域已经取得了一些进展,关于非线性与拓扑结构本征态的耦合问题及非线性与拓扑结构之间的相互作用相关物理机制等仍然还很空白。

  在本工作中,研究人员以一维光诱导SSH光子晶格为平台,实验上发现在拓扑非平庸的光子结构中,非线性能够实现体态和拓扑边界态以及界面态之间的耦合。基于此,研究人员提出了非线性拓扑系统下模式耦合的新理论,并成功的解释了相关实验结果。文中提及的实验方法为研究非线性和拓扑结构的相互作用提供了新的研究平台。基于一维非线性系统提出的非线性与拓扑结构相互作用的理论框架具有普适意义,也能够为其它高维的光学系统,乃至光学以外其它非线性拓扑体系的相关研究提供理论借鉴。

  图片:拓扑非平庸与拓扑平庸一维SSH光子晶格中,探测光在线性和非线性作用的演化结果对比,左侧为拓扑非平庸结构,右侧为拓扑平庸结构相对应的实验(上图)以及模拟(下图)结果。

  本工作南开大学为第一完成单位,南开大学博士生夏士齐、王楠和克罗地亚萨格勒布大学Dario Jukić助理教授为共同第一作者。南开大学陈志刚教授、宋道红副教授与南开大学特聘教授/克罗地亚Zagreb大学Hrvoje Buljan教授为共同通讯作者。合作者还包括德国的Alexander Szameit 教授和韩国 Daniel Leykam研究员等。相关工作得到了国家重点研发计划项目、国家自然科学基金项目的资助。

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