北京大學Nature Physics：光學非線性調控和的非厄米拓撲相變

一、【導讀】

拓撲、非厄米和非線性均為光學領域的研究焦點，但具有截然不同的物理圖像和應用。拓撲絕緣體是一類具有特殊的能帶結構和邊界態的材料，它們對外界的微擾具有很強的魯棒性。拓撲絕緣體的能帶結構可以用拓撲不變量來刻畫，這些不變量反映了能帶的全局性質。為了調控拓撲絕緣體的能帶結構和邊界態，通常需要改變材料的幾何參數或者施加外場，但這樣做會降低切換速度和靈活性。近年來，光學非線性被發現可以作為一種有效的手段來調節拓撲和非厄米（NH）性質，從而實現快速的拓撲相變。非厄米系統是指哈密頓量不滿足厄米共軛的系統，它們可以描述開放系統中的能量耗散或增益。非厄米系統具有一些獨特的現象，如奇異點、非厄米皮膚效應和非布洛赫能帶理論等。

?二、【成果掠影】

近日，北京大學王劍威研究員團隊報道了在硅基納米光子Floquet拓撲絕緣體中，利用光學非線性驅動的非厄米拓撲相變。Floquet拓撲絕緣體是指受到周期性驅動的拓撲絕緣體，它們可以通過Floquet理論來描述。研究人員利用了硅基納米光子晶體作為平臺，通過調節入射激光的強度和頻率，實現了從禁帶到非厄米導電邊界模式的相變。這些邊界模式出現在由光學非線性誘導的增益-損耗結點沿著拓撲絕緣體的邊界。實驗發現了靜態的非厄米邊界模式和涉及奇異點的動態相變，這些相變發生在幾百皮秒的時間尺度上，并且保持了拓撲對制備缺陷的保護。本研究展示了通過非線性光學實現拓撲和非厄米之間的相互作用，并且提供了一種在高速度下操縱多重相變的方法，這種方法可以應用于許多其他具有強非線性的材料，從而促進不尋常魯棒的光調控器件在經典和量子應用中的發展。研究成果以題為“Non-Hermitian topological phase transitions controlled by nonlinearity”發表在知名期刊Nature Physics上。

三、【核心創新點】

利用硅納米波導的四波混頻增益，在硅基集成光學拓撲絕緣體上實現了從禁帶到非厄米傳輸邊界態的百皮秒量級快速非厄米相變過程，成功重構了具有拓撲保護特性的相干光學輸運信道。

?四、【數據概覽】

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圖1? 基于光學非線性誘導的高速非厄米拓撲相變 ? 2023 Springer Nature

（a）拓撲光子學、NH光子學和非線性光子學的相互作用。

（b-c）光場分布示意圖。

圖2? FTI在線性和非線性區域的能帶結構和相圖 ? 2023 Springer Nature

（a）將增益設為gδL = 0 時，不同耦合強度θ和動量k_x的本征譜的黎曼表。

（b-c）CI階段和AFTI階段的投影帶結構。

（d）在CI階段設置耦合強度為θ = 0.3π 時，不同增益系數gδL和動量k_x值下的本征譜實部黎曼表。

（e）投影到k_x = 0平面上的帶狀結構虛部，顯示了隨著邊界增益的增加在EP處的模式分裂。

（f）帶隙跨? = π/T時TPT和NHPT的完整相圖。

（g-i）gδL = 0.406、0.588和1.099（θ = 0.3π）時的帶隙結構。

圖3? 拓撲相變和NH相變的實驗結果 ? 2023 Springer Nature

（a）測量的（b）中FTI器件的線性傳輸光譜。

（b）制造的FTI的光學顯微鏡圖像。

（c, e）惰性光和信號光分別在CI和AFTI階段的單FSR光譜放大圖。

（d）定向耦合器耦合強度θ的測量光譜響應。

（f-k）在拓撲邊緣模式、體模式、禁帶隙和外部輸入惰性光下，以及在拓撲邊緣模式、體模式、NH邊緣模式和內部FWM產生的惰性光下，FTI中電磁場的實空間分布測量值和模擬值。

（l）NH 邊緣模式的定量特征。

圖4? 非厄米邊界信道的相干性證明 ? 2023 Springer Nature

（a-f）分別在兩個拓撲模式和NH邊緣模式之間進行光學干涉測量。

圖5? 非線性驅動的百皮秒級非厄米拓撲相變實驗結果 ? 2023 Springer Nature

（a）驅動信號燈，快速調制，上升時間為 244.3 ± 5.2 ps。

（b）探測到的FWM產生的惰性光的時間響應。

（c）快速NHPT的模擬動態演變。

五、【成果啟示】

本研究主要是關于光學非線性調控的非厄米拓撲相變，通過非線性光學展示了拓撲和非厄米性之間的相互作用，提供了高速調控多個相變的方法。它揭示了一種新穎的物理機制和實驗平臺，為未來設計和實現高效、靈活和魯棒的光子器件提供了可能。

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

本文由賽恩斯供稿。