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(shù)測量是拓撲物理學(xué)中的重要科學(xué)問題。基于光學(xué)亥姆霍茲方程與薛定諤方程的等價性，經(jīng)典光學(xué)體系可以用來研究和檢驗量子力學(xué)的相關(guān)基本規(guī)律，并有效地實施量子模擬。

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

　　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(dǎo)的索利斯抽運通過周期性地改變一維晶格的勢能，實現(xiàn)粒子的定向輸運。索利斯抽運的每個調(diào)制周期內(nèi)，粒子被輸運的距離和方向取決于體態(tài)拓撲數(shù)。

　　中山大學(xué)李朝紅教授團隊發(fā)現(xiàn)了不同可公度廣義Aubry-André-Harper (AAH)模型的拓撲不等價性，并提出如何基于光學(xué)波導(dǎo)陣列利用索利斯抽運去測量體態(tài)拓撲數(shù)。相關(guān)結(jié)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計算可公度廣義AAH模型的體態(tài)陳拓撲數(shù)，發(fā)現(xiàn)了體系的拓撲相變，并給出了整個參數(shù)空間內(nèi)的拓撲相圖。他們給出了支持大陳數(shù)拓撲相的參數(shù)區(qū)域，并建議通過周期性地調(diào)制波導(dǎo)折射率和波導(dǎo)間距去實現(xiàn)光的索利斯抽運，從而實現(xiàn)對體態(tài)拓撲數(shù)的有效觀測。如上圖所示，在折射率橫向和縱向調(diào)制的光學(xué)波導(dǎo)陣列，從初始折射率最大的波導(dǎo)中注入高斯光束，光場會沿著藍色虛線的軌跡傳播。在一個縱向調(diào)制周期內(nèi)，光場中心向左移動3根波導(dǎo)的距離。由于光場移動的距離等于體態(tài)陳拓撲數(shù)乘以橫向調(diào)制周期，這里橫向調(diào)制周期為3，可以得到體態(tài)陳拓撲數(shù)為-1。

　　這些結(jié)果增進了人們對廣義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(shù)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