北京理工大學(xué)教授與合作者在非厄米拓撲光子學(xué)領(lǐng)域取得重要進展
發(fā)布日期：2022-08-10 供稿：物理學(xué)院
編輯：王莉蓉 審核：姜艷 閱讀次數(shù)：
近日，北京理工大學(xué)物理學(xué)院路翠翠教授與北京大學(xué)胡小永教授和龔旗煌院士、香港科技大學(xué)陳子亭院士等人在非厄米拓撲光子學(xué)研究中發(fā)展出一種研究增益-損耗疇壁拓撲光學(xué)體系的有效哈密頓量新方法，揭示了由增益-損耗疇壁誘導(dǎo)拓撲態(tài)的產(chǎn)生機制，發(fā)表在物理學(xué)權(quán)威期刊Physical Review Letters上。
非厄米拓撲光子學(xué)體系與厄米體系相比，具有復(fù)雜的物理。由于真實世界中開放的體系大都是非厄米體系，因此研究非厄米拓撲光子學(xué)體系在基礎(chǔ)、前沿、應(yīng)用等多方面都具有重要的價值。在通常情況下，如果將拓撲非平凡與拓撲平凡的兩個疇（domain）拼接在一起，在疇壁（domain wall）上會出現(xiàn)拓撲邊界態(tài)，拓撲態(tài)的數(shù)量對應(yīng)于相應(yīng)拓撲不變量的差值，拓撲不變量則可以通過對相應(yīng)體系進行能帶分析得出。研究表明即使把兩個拓撲等價的疇拼接在一起，當增大兩個疇的增益/損耗差值時在疇壁上也會出現(xiàn)局域的拓撲邊界態(tài)，這種拓撲態(tài)不能用拓撲不變量來刻畫，而且由于體系沒有平移對稱性，無法直接利用現(xiàn)有的理論計算方法開展深入研究。
為了給出更加普適的研究方法，研究團隊研究了AAH模型、SSH模型、谷光子晶體和C6v類型的光子晶體等多種常見的非厄米拓撲光子學(xué)體系，提出了一種通過引入不同疇拓撲態(tài)之間耦合系數(shù)來構(gòu)建體系有效哈密頓量的新方法，為研究新型增益-損耗疇壁拓撲光學(xué)體系提供了較為普適的研究方案。在由緊束縛哈密頓量H_1D描述的一維AAH構(gòu)型中，使用擬合的方法確定有效哈密頓量H_eff的相關(guān)參數(shù)，理論計算發(fā)現(xiàn)有效哈密頓量H_eff可以準確的描述相應(yīng)拓撲態(tài)的模式分布與模式頻率（圖1）。同時，研究團隊將該方法推廣至高維，通過在二維AAH構(gòu)型中構(gòu)造十字形的增益-損耗界面，還實現(xiàn)了由增益-損耗疇壁誘導(dǎo)的拓撲角態(tài)，并成功構(gòu)建出有效哈密頓量分析相應(yīng)現(xiàn)象，通過適當調(diào)整體系參數(shù)與體系內(nèi)的增益損耗分布，可以在二維體系內(nèi)的不同位置誘導(dǎo)出拓撲角態(tài)（圖2）。這一工作揭示了由增益-損耗疇壁誘導(dǎo)的拓撲態(tài)的產(chǎn)生機制，同時對有源調(diào)控拓撲態(tài)具有指導(dǎo)意義。
圖1 (a)通過引入?yún)?shù)擬合有效哈密頓量中的耦合項。(b),(c) 分別由H_1D與H_eff得出的模式頻率與模式分布的比較。
圖2 設(shè)計增益損耗的分布，可以在二維體系內(nèi)不同位置誘導(dǎo)出角態(tài)。
北京理工大學(xué)路翠翠教授、北京大學(xué)胡小永教授和香港科技大學(xué)陳子亭院士為論文的共同通訊作者，北京大學(xué)博士生李延?xùn)|與本科畢業(yè)生范崇嘯（現(xiàn)就讀于德國馬克斯普朗克研究所）是文章的共同第一作者。該工作得到國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、北京理工大學(xué)特立青年學(xué)者學(xué)術(shù)啟動計劃等多個項目支持。
文章信息：
Yandong Li,# Chongxiao Fan,# Xiaoyong Hu,* Yutian Ao, Cuicui Lu*, C. T. Chan,* Dante M. Kennes, and Qihuang Gong, Effective Hamiltonian for Photonic Topological Insulator with Non-Hermitian Domain Walls, Physical Review Letters 129, 053903 (2022).
文章鏈接：https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.129.053903
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