中山大學(xué)李朝紅課題組：光的拓撲輸運

　　Iccsz訊 拓撲相變和拓撲數測量是拓撲物理學(xué)中的重要科學(xué)問(wèn)題?；诠鈱W(xué)亥姆霍茲方程與薛定諤方程的等價(jià)性，經(jīng)典光學(xué)體系可以用來(lái)研究和檢驗量子力學(xué)的相關(guān)基本規律，并有效地實(shí)施量子模擬。

　　近年來(lái)，基于光學(xué)體系探究拓撲相和拓撲相變已經(jīng)形成一個(gè)新的研究領(lǐng)域——拓撲光子學(xué)。拓撲數的觀(guān)測一直是表征拓撲相的關(guān)鍵問(wèn)題，拓撲光子學(xué)領(lǐng)域現有研究主要通過(guò)探測邊緣態(tài)去了解拓撲特性，但直接測量體態(tài)拓撲數仍然是一個(gè)巨大挑戰。

　　諾貝爾物理學(xué)獎得主戴維·索利斯 (David J. Thouless) 在1983年提出拓撲量子輸運的概念，也就是著(zhù)名的索利斯抽運(Thouless pumping)。不同于經(jīng)典抽運，由量子力學(xué)主導的索利斯抽運通過(guò)周期性地改變一維晶格的勢能，實(shí)現粒子的定向輸運。索利斯抽運的每個(gè)調制周期內，粒子被輸運的距離和方向取決于體態(tài)拓撲數。

　　中山大學(xué)李朝紅教授團隊發(fā)現了不同可公度廣義Aubry-André-Harper (AAH)模型的拓撲不等價(jià)性，并提出如何基于光學(xué)波導陣列利用索利斯抽運去測量體態(tài)拓撲數。相關(guān)結果發(fā)表在Laser & Photonics Reviews [10, 995 (2016)]上，并被選為封底論文。

圖 Laser & Photonics Reviews 2016年12月刊的封底圖

　　李朝紅教授團隊通過(guò)計算可公度廣義AAH模型的體態(tài)陳拓撲數，發(fā)現了體系的拓撲相變，并給出了整個(gè)參數空間內的拓撲相圖。他們給出了支持大陳數拓撲相的參數區域，并建議通過(guò)周期性地調制波導折射率和波導間距去實(shí)現光的索利斯抽運，從而實(shí)現對體態(tài)拓撲數的有效觀(guān)測。如上圖所示，在折射率橫向和縱向調制的光學(xué)波導陣列，從初始折射率最大的波導中注入高斯光束，光場(chǎng)會(huì )沿著(zhù)藍色虛線(xiàn)的軌跡傳播。在一個(gè)縱向調制周期內，光場(chǎng)中心向左移動(dòng)3根波導的距離。由于光場(chǎng)移動(dòng)的距離等于體態(tài)陳拓撲數乘以橫向調制周期，這里橫向調制周期為3，可以得到體態(tài)陳拓撲數為-1。

　　這些結果增進(jìn)了人們對廣義AAH模型的拓撲特性的認識，并為光學(xué)體系的體態(tài)拓撲數的測量提供了一種有效的途徑。

        論文鏈接：http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/lpor.201600119/full