北京大学Nature Physics：光学非线性调控和的非厄米拓扑相变

一、【导读】

拓扑、非厄米和非线性均为光学领域的研究焦点，但具有截然不同的物理图像和应用。拓扑绝缘体是一类具有特殊的能带结构和边界态的材料，它们对外界的微扰具有很强的鲁棒性。拓扑绝缘体的能带结构可以用拓扑不变量来刻画，这些不变量反映了能带的全局性质。为了调控拓扑绝缘体的能带结构和边界态，通常需要改变材料的几何参数或者施加外场，但这样做会降低切换速度和灵活性。近年来，光学非线性被发现可以作为一种有效的手段来调节拓扑和非厄米（NH）性质，从而实现快速的拓扑相变。非厄米系统是指哈密顿量不满足厄米共轭的系统，它们可以描述开放系统中的能量耗散或增益。非厄米系统具有一些独特的现象，如奇异点、非厄米皮肤效应和非布洛赫能带理论等。

 二、【成果掠影】

近日，北京大学王剑威研究员团队报道了在硅基纳米光子Floquet拓扑绝缘体中，利用光学非线性驱动的非厄米拓扑相变。Floquet拓扑绝缘体是指受到周期性驱动的拓扑绝缘体，它们可以通过Floquet理论来描述。研究人员利用了硅基纳米光子晶体作为平台，通过调节入射激光的强度和频率，实现了从禁带到非厄米导电边界模式的相变。这些边界模式出现在由光学非线性诱导的增益-损耗结点沿着拓扑绝缘体的边界。实验发现了静态的非厄米边界模式和涉及奇异点的动态相变，这些相变发生在几百皮秒的时间尺度上，并且保持了拓扑对制备缺陷的保护。本研究展示了通过非线性光学实现拓扑和非厄米之间的相互作用，并且提供了一种在高速度下操纵多重相变的方法，这种方法可以应用于许多其他具有强非线性的材料，从而促进不寻常鲁棒的光调控器件在经典和量子应用中的发展。研究成果以题为“Non-Hermitian topological phase transitions controlled by nonlinearity”发表在知名期刊Nature Physics上。

三、【核心创新点】

利用硅纳米波导的四波混频增益，在硅基集成光学拓扑绝缘体上实现了从禁带到非厄米传输边界态的百皮秒量级快速非厄米相变过程，成功重构了具有拓扑保护特性的相干光学输运信道。

 四、【数据概览】

图1  基于光学非线性诱导的高速非厄米拓扑相变 © 2023 Springer Nature

（a）拓扑光子学、NH光子学和非线性光子学的相互作用。

（b-c）光场分布示意图。

图2  FTI在线性和非线性区域的能带结构和相图 © 2023 Springer Nature

（a）将增益设为gδL = 0 时，不同耦合强度θ和动量k_x的本征谱的黎曼表。

（b-c）CI阶段和AFTI阶段的投影带结构。

（d）在CI阶段设置耦合强度为θ = 0.3π 时，不同增益系数gδL和动量k_x值下的本征谱实部黎曼表。

（e）投影到k_x = 0平面上的带状结构虚部，显示了随着边界增益的增加在EP处的模式分裂。

（f）带隙跨ϵ = π/T时TPT和NHPT的完整相图。

（g-i）gδL = 0.406、0.588和1.099（θ = 0.3π）时的带隙结构。

图3  拓扑相变和NH相变的实验结果 © 2023 Springer Nature

（a）测量的（b）中FTI器件的线性传输光谱。

（b）制造的FTI的光学显微镜图像。

（c, e）惰性光和信号光分别在CI和AFTI阶段的单FSR光谱放大图。

（d）定向耦合器耦合强度θ的测量光谱响应。

（f-k）在拓扑边缘模式、体模式、禁带隙和外部输入惰性光下，以及在拓扑边缘模式、体模式、NH边缘模式和内部FWM产生的惰性光下，FTI中电磁场的实空间分布测量值和模拟值。

（l）NH 边缘模式的定量特征。

图4  非厄米边界信道的相干性证明 © 2023 Springer Nature

（a-f）分别在两个拓扑模式和NH边缘模式之间进行光学干涉测量。

图5  非线性驱动的百皮秒级非厄米拓扑相变实验结果 © 2023 Springer Nature

（a）驱动信号灯，快速调制，上升时间为 244.3 ± 5.2 ps。

（b）探测到的FWM产生的惰性光的时间响应。

（c）快速NHPT的模拟动态演变。

五、【成果启示】

本研究主要是关于光学非线性调控的非厄米拓扑相变，通过非线性光学展示了拓扑和非厄米性之间的相互作用，提供了高速调控多个相变的方法。它揭示了一种新颖的物理机制和实验平台，为未来设计和实现高效、灵活和鲁棒的光子器件提供了可能。

原文详情：Non-Hermitian topological phase transitions controlled by nonlinearity (Nat. Phys. 2023, DOI: 10.1038/s41567-023-02244-8)

本文由赛恩斯供稿。