南京大学刘辉Nature子刊：超表面拓扑缺陷的确定光子偏转和具有材料损失的对称性破裂相变

【前言】

拓扑学在现代物理学的前沿领域中起着非常重要的作用。众所周知，拓扑性质已经在凝聚态物质和经典波中被广泛报道。此外，拓扑学也被用于广义相对论和现代宇宙学。由于最近引力波探测的突破，人们对宇宙时空的拓扑效应将会越来越感兴趣。特别是，理论家预测，在早期宇宙中Higgs真空场对称性破裂期间，当与这种对称性破裂相关联的真空流形的拓扑不是简单地连接在一起时，可能会形成一些拓扑缺陷。例如单极子、宇宙弦和畴壁，它们分别是时空的0维、1维和2维拓扑缺陷。天体物理学中对这些拓扑缺陷的实验观察将彻底改变宇宙的视觉。此外，各种论证，如宇宙弦产生的宇宙微波背景辐射中的引力波和特定印记，可能被提出用于天文观测。然而，据作者所知，迄今为止，在天体物理学中还没有观察这些拓扑缺陷的好方法。幸运的是，来自实验室环境中各种系统的模拟模型受到了研究宇宙中不容易接近的现象的可能性的推动。例如Hawking–Unruh和Bose–Einstein凝聚体。

另一方面，基于控制介电常数和磁导率分布的超材料的转换光学可以被广泛研究，以设计许多具有新光学应用的人造材料。变换光学最重要的应用是隐形斗篷，其中光线被视为变形空间中的线性平行测地线。在爱因斯坦的广义相对论中，时空曲率是由能量和动量决定的。最近，通过将时空度量映射到具有局部曲率的电磁介质本构参数，模拟广义相对论现象成为可能。除了三维超材料之外，超表面(二维超材料)具有易于制造和低传播损耗，是一种操纵电磁波的新方式。特别的是，不同种类的超表面已经被用来控制表面波的传播。

【成果简介】

近日，来自南京大学的刘辉（通讯作者）教授团队在Nature Communications上发表文章，题为“Definite photon deflections of topological defects in metasurfaces and symmetry-breaking phase transitions with material loss”。通过使用以旋转超表面为边界的人工波导，实验模拟了时空拓扑缺陷的非平凡效应。拓扑波导中的光子偏转具有不依赖于入射光子的位置和动量的稳定的确定角度。这与普通空间中的随机光散射明显不同。通过包括材料损耗，这种拓扑效应可以从光子模式的对称性破坏中很好地理解。作者的研究为研究光学系统中的拓扑引力提供了一个平台。这种方法也可以扩展到获得许多其他新型拓扑光子器件。

【图文导读】

图1. 使用人工波导模拟拓扑空间中的特定光子偏转

a 负拓扑缺陷空间中的光子偏转(光子从中心推开)、正拓扑缺陷空间中的光子偏转(光子被吸引到中心)和微小空间中的光子偏转(光子沿着直线传播)；

b 二维弯曲超材料模拟负质量宇宙弦；

c 二维弯曲超材料模拟无拓扑宇宙弦；

d 二维弯曲超材料模拟正质量宇宙弦；

图2. 人工波导的理论设计

a多层人工波导的示意图；

b用聚焦离子束制作的旋转超表面的显微图像；

c具有局部各向异性指数的旋转超表面，用红色曲线表示；

d人造波导的局部椭圆等频轮廓；

图3. 人工波导中确定光子偏转的实验和模拟

a-c负质量宇宙弦排斥光束的实验结果；

d–f COMSOL的相应模拟；

g-i正质量宇宙弦吸引光束的实验结果；

j–l COMSOL的相应模拟；

图4. 不同材料损耗下的对称破裂相变

a调节材料损耗模拟拓扑相变；

相变过程中超材料光学模式的改变(b)与对称性破裂(c)；

图5. 不同拓扑空间中的光子偏转

a–c 不同质量密度宇宙弦确定光学偏转的实验

d–f COMSOL的相应模拟；

g 非平凡平面空间中的光干涉；

h 光学芯片中多光束传输实验;

i 宇宙弦的平面空间；

j 光学芯片中Airy光束传输实验;

k–n COMSOL的相应模拟；

【总结】

在上述结果中，作者通过构建基于旋转超表面的人造波导，证明了宇宙弦拓扑空间的光学类比。作者在正拓扑空间和负拓扑空间中都观察到了鲁棒强烈的确定光子偏转。通过调整波导厚度和材料损耗，作者获得了光子模式的对称性破裂，并模拟早期宇宙中宇宙弦的产生。这种非常强烈的光子偏转可以被用作一种新型全向透镜，它可以在不改变光束轮廓的情况下明确地弯曲光。这种独特的特性可用于光学聚焦、成像和信息传输。在这项工作中，作者只模拟一维拓扑缺陷，一个宇宙弦。将来，所报道的方法可能会扩展到模拟0维单极和2维拓扑畴壁。拓扑引力结合量子场和引力，在现代理论物理中起着非常重要的作用。但是它大多数微妙的理论预测仍然非常模糊，远离实验测试。这项工作中采用的方法可以提供一个实验平台来研究拓扑引力和许多其他不寻常的时空拓扑性质。此外，时空的拓扑性质源自重力的量子效应。为了探索重力的量子效应，我们应该在未来的研究中将量子光学和变换光学结合起来。这种前瞻性研究可能在相对论量子信息技术中有潜在的应用。

文献链接：Definite photon deflections of topological defects in metasurfaces and symmetry-breaking phase transitions with material loss, (Nature Communications, 2018, DOI: 10.1038/s41467-018-06718-9)

本文由材料人电子电工组Z. Chen供稿，材料牛整理编辑。

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