南京大學劉輝Nature子刊：超表面拓撲缺陷的確定光子偏轉和具有材料損失的對稱性破裂相變

【前言】

拓撲學在現代物理學的前沿領域中起著非常重要的作用。眾所周知，拓撲性質已經在凝聚態物質和經典波中被廣泛報道。此外，拓撲學也被用于廣義相對論和現代宇宙學。由于最近引力波探測的突破，人們對宇宙時空的拓撲效應將會越來越感興趣。特別是，理論家預測，在早期宇宙中Higgs真空場對稱性破裂期間，當與這種對稱性破裂相關聯的真空流形的拓撲不是簡單地連接在一起時，可能會形成一些拓撲缺陷。例如單極子、宇宙弦和疇壁，它們分別是時空的0維、1維和2維拓撲缺陷。天體物理學中對這些拓撲缺陷的實驗觀察將徹底改變宇宙的視覺。此外，各種論證，如宇宙弦產生的宇宙微波背景輻射中的引力波和特定印記，可能被提出用于天文觀測。然而，據作者所知，迄今為止，在天體物理學中還沒有觀察這些拓撲缺陷的好方法。幸運的是，來自實驗室環境中各種系統的模擬模型受到了研究宇宙中不容易接近的現象的可能性的推動。例如Hawking–Unruh和Bose–Einstein凝聚體。

另一方面，基于控制介電常數和磁導率分布的超材料的轉換光學可以被廣泛研究，以設計許多具有新光學應用的人造材料。變換光學最重要的應用是隱形斗篷，其中光線被視為變形空間中的線性平行測地線。在愛因斯坦的廣義相對論中，時空曲率是由能量和動量決定的。最近，通過將時空度量映射到具有局部曲率的電磁介質本構參數，模擬廣義相對論現象成為可能。除了三維超材料之外，超表面(二維超材料)具有易于制造和低傳播損耗，是一種操縱電磁波的新方式。特別的是，不同種類的超表面已經被用來控制表面波的傳播。

【成果簡介】

近日，來自南京大學的劉輝（通訊作者）教授團隊在Nature Communications上發表文章，題為“Definite photon deflections of topological defects in metasurfaces and symmetry-breaking phase transitions with material loss”。通過使用以旋轉超表面為邊界的人工波導，實驗模擬了時空拓撲缺陷的非平凡效應。拓撲波導中的光子偏轉具有不依賴于入射光子的位置和動量的穩定的確定角度。這與普通空間中的隨機光散射明顯不同。通過包括材料損耗，這種拓撲效應可以從光子模式的對稱性破壞中很好地理解。作者的研究為研究光學系統中的拓撲引力提供了一個平臺。這種方法也可以擴展到獲得許多其他新型拓撲光子器件。

【圖文導讀】

圖1. 使用人工波導模擬拓撲空間中的特定光子偏轉

a 負拓撲缺陷空間中的光子偏轉(光子從中心推開)、正拓撲缺陷空間中的光子偏轉(光子被吸引到中心)和微小空間中的光子偏轉(光子沿著直線傳播)；

b 二維彎曲超材料模擬負質量宇宙弦；

c 二維彎曲超材料模擬無拓撲宇宙弦；

d 二維彎曲超材料模擬正質量宇宙弦；

圖2. 人工波導的理論設計

a多層人工波導的示意圖；

b用聚焦離子束制作的旋轉超表面的顯微圖像；

c具有局部各向異性指數的旋轉超表面，用紅色曲線表示；

d人造波導的局部橢圓等頻輪廓；

圖3. 人工波導中確定光子偏轉的實驗和模擬

a-c負質量宇宙弦排斥光束的實驗結果；

d–f COMSOL的相應模擬；

g-i正質量宇宙弦吸引光束的實驗結果；

j–l COMSOL的相應模擬；

圖4. 不同材料損耗下的對稱破裂相變

a調節材料損耗模擬拓撲相變；

相變過程中超材料光學模式的改變(b)與對稱性破裂(c)；

圖5. 不同拓撲空間中的光子偏轉

a–c 不同質量密度宇宙弦確定光學偏轉的實驗

d–f COMSOL的相應模擬；

g 非平凡平面空間中的光干涉；

h 光學芯片中多光束傳輸實驗;

i 宇宙弦的平面空間；

j 光學芯片中Airy光束傳輸實驗;

k–n COMSOL的相應模擬；

【總結】

在上述結果中，作者通過構建基于旋轉超表面的人造波導，證明了宇宙弦拓撲空間的光學類比。作者在正拓撲空間和負拓撲空間中都觀察到了魯棒強烈的確定光子偏轉。通過調整波導厚度和材料損耗，作者獲得了光子模式的對稱性破裂，并模擬早期宇宙中宇宙弦的產生。這種非常強烈的光子偏轉可以被用作一種新型全向透鏡，它可以在不改變光束輪廓的情況下明確地彎曲光。這種獨特的特性可用于光學聚焦、成像和信息傳輸。在這項工作中，作者只模擬一維拓撲缺陷，一個宇宙弦。將來，所報道的方法可能會擴展到模擬0維單極和2維拓撲疇壁。拓撲引力結合量子場和引力，在現代理論物理中起著非常重要的作用。但是它大多數微妙的理論預測仍然非常模糊，遠離實驗測試。這項工作中采用的方法可以提供一個實驗平臺來研究拓撲引力和許多其他不尋常的時空拓撲性質。此外，時空的拓撲性質源自重力的量子效應。為了探索重力的量子效應，我們應該在未來的研究中將量子光學和變換光學結合起來。這種前瞻性研究可能在相對論量子信息技術中有潛在的應用。

文獻鏈接：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)

本文由材料人電子電工組Z. Chen供稿，材料牛整理編輯。

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