极端光学研究团队发现非厄米光子拓扑绝缘体拓扑相变规律

北京大学物理学院、纳光电子前沿科学中心、人工微结构和介观物理国家重点实验室“极端光学团队”胡小永教授和龚旗煌院士等在非厄米拓扑光子学研究中取得重要进展：发现在二维PT对称构型的耦合谐振环阵列光子拓扑绝缘体中存在拓扑相变，并且揭示了产生拓扑相变的内在条件：由耦合强度与增益损耗量共同决定的解析关系。相关研究成果发表在物理学权威期刊《物理评论快报》上。[“Topological Phase Transition in Non-Hermitian Coupled Resonator Array, Physical Review Letters 125(1), 013902 (2020)]。

拓扑光子学是光学新兴的研究方向，因非平凡的拓扑光子系统具有稳定抗散射的单向边界态性质而被广泛研究。非厄米拓扑体系因其存在更丰富的物理现象及重要的应用潜力在近年来成为国际研究的热点；但是非厄米拓扑系统的内在物理十分复杂，因而在二维非厄米拓扑光子体系中实现拓扑相变以及精确的主动调控面临巨大挑战。研究团队采用传输矩阵方法分析了满足PT对称性的耦合谐振环阵列光子拓扑绝缘体，通过计算体系能带结构证明了该非厄米体系中存在拓扑相变，并通过代数分析得到了描述拓扑相变发生条件的解析关系式，由此解析关系即得到了该非厄米系统的一个二维拓扑相图（图1）。通过数值计算得到了有限谐振环阵列在不同增益损耗量情况下的电场模式分布（图2），显示了该体系在增益-损耗维度发生拓扑相变的过程。该研究结果显示，通过对系统主环外加泵浦的方式，即可在拓扑非平凡态与平凡态间切换。这一发现为调控光子拓扑绝缘体拓扑相变提供了一个新的维度，对主动调控拓扑态的进一步发展具有指导作用，并对非厄米拓扑光子学的进一步研究具有启发意义。

图1 由耦合强度γ和增益损耗量κ决定的二维拓扑相图。拓扑相界面由数学关系tanγ=cosh(2κ)描述。

图2 8×8谐振环阵列在不同增益损耗情况下的电场模式分布。随着增益损耗量增大，系统从拓扑非平凡态相变为拓扑平凡态。

北京大学博士生敖雨田是文章第一作者。相关研究工作由北京大学团队、北京理工大学路翠翠副教授、北京工业大学富聿岚副教授、北京化工大学王兴远合作完成。研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金委、量子物质科学协同创新中心、极端光学协同创新中心和北京市科学技术委员会等的支持。