北理工在拓?fù)涔庾訉W(xué)領(lǐng)域取得重要進(jìn)展
發(fā)布日期：2021-04-06 供稿：物理學(xué)院
編輯：王莉蓉 審核：姚裕貴 閱讀次數(shù)：
近期，北京理工大學(xué)物理學(xué)院路翠翠和武漢大學(xué)肖孟教授、香港科技大學(xué)陳子亭教授等人合作，提出利用光晶格平移量作為合成維度構(gòu)建拓?fù)鋺B(tài)，實(shí)現(xiàn)了光子晶體拓?fù)洳屎绾吐庑?yīng)，該理論成果發(fā)表在物理學(xué)領(lǐng)域的頂級(jí)期刊Physical Review Letters上。
以光子為信息載體的微納全光器件在光通信、光信息處理、光計(jì)算等領(lǐng)域有著重要應(yīng)用，是實(shí)現(xiàn)下一代光子芯片的核心元器件。近年來，拓?fù)涞母拍顝哪蹜B(tài)物理中拓?fù)湮飸B(tài)的研究擴(kuò)展到了光學(xué)、聲學(xué)和冷原子體系等領(lǐng)域，極大地促進(jìn)了拓?fù)湮锢韺W(xué)的發(fā)展，尤其是拓?fù)涔庾訉W(xué)逐漸成為光學(xué)和相關(guān)科學(xué)領(lǐng)域一個(gè)重要的前沿交叉領(lǐng)域。拓?fù)涔庾討B(tài)由于受到拓?fù)浔Ｗo(hù)，與傳統(tǒng)的光子態(tài)相比，具有魯棒性和抗干擾等優(yōu)點(diǎn)，因此拓?fù)鋺B(tài)為微納全光器件的實(shí)提供了新平臺(tái)。過去幾年，研究者的興趣主要聚焦在實(shí)現(xiàn)拓?fù)鋺B(tài)的方法和拓?fù)鋺B(tài)的新奇性質(zhì)上（例如單向傳輸、高階拓?fù)洹⑼負(fù)浼す獾龋瑤缀醵际轻槍?duì)特定能帶和特定頻段進(jìn)行研究，而針對(duì)不同頻率拓?fù)鋺B(tài)的器件實(shí)現(xiàn)，還沒有很好的解決方法。
圖1 以四方晶格為例構(gòu)建不同頻率拓?fù)洳屎缜艚＃╝）界面左邊為完美光子晶體，右側(cè)為引入合成維度的光子晶體，光源放置結(jié)構(gòu)左側(cè)；（b）結(jié)構(gòu)支持的不同頻率的拓?fù)鋺B(tài)模式；（c）不同頻率入射時(shí)囚禁在光子晶體界面處不同位置，頻率越大，囚禁位置逐漸向下移動(dòng)。
北京理工大學(xué)物理學(xué)院路翠翠等人在基于智能算法的傳統(tǒng)光波長(zhǎng)路由器件（Optica，6,1367，2019）的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步在物理層面提出在光子晶體中引入合成維度為實(shí)現(xiàn)拓?fù)鋺B(tài)光波長(zhǎng)路由器件提供了新思路。研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)光晶格中的合成維度從零逐漸變化一個(gè)晶格常數(shù)時(shí)，Zak相位恰好為2π，對(duì)應(yīng)拓?fù)溥吔鐟B(tài)的出現(xiàn)。這種合成維度允許線性漸變、正余弦函數(shù)等多種方式的構(gòu)建，不同的合成維度能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)不同頻率的拓?fù)鋺B(tài)的“囚禁”，因此在光子晶體晶格的不同位置得到的電場(chǎng)最大值對(duì)應(yīng)不同頻率的拓?fù)鋺B(tài)，即“拓?fù)洳屎纭薄＝Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，為拓?fù)渎酚伞⑼負(fù)鋺B(tài)慢光、拓?fù)鋺B(tài)光存儲(chǔ)等應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。利用該方法能夠在無需打破時(shí)間反演對(duì)稱的條件下，構(gòu)造多個(gè)拓?fù)溥吔鐟B(tài)和大陳數(shù)的“陳拓?fù)浣^緣體”。與傳統(tǒng)分頻率的彩虹器件相比，在遇到結(jié)構(gòu)整體縮放、隨機(jī)誤差引入、材料缺陷或雜質(zhì)干擾等，傳統(tǒng)彩虹器件很容易受影響而偏離工作波段甚至完全消失，而這種基于合成維度的彩虹受拓?fù)浔Ｗo(hù)，必然存在。
圖2 不同合成維度（橫坐標(biāo)）對(duì)應(yīng)不同頻率（縱坐標(biāo)）拓?fù)鋺B(tài)，且不同拓?fù)鋺B(tài)具有不同的群速度，圖中綠色虛線位置對(duì)應(yīng)群速度為零。
該方法具有很好的普適性，只需要光子晶體具有帶隙（一般光子晶體都能滿足），對(duì)晶格類型、對(duì)稱性、波段等沒有限制；同時(shí)該拓?fù)鋺B(tài)的實(shí)現(xiàn)對(duì)材料也沒有限制，自然界中可見光和近紅外波段的光學(xué)材料幾乎都沒有磁響應(yīng)，而該方法無需具有磁響應(yīng)的材料，一般的介質(zhì)材料都能滿足，因此為納米尺度光頻波段的拓?fù)鋺B(tài)器件的實(shí)現(xiàn)提供了可靠的解決方法，同時(shí)為片上集成的拓?fù)涔庾蛹{米器件提供了新思路。北京理工大學(xué)路翠翠副研究員、武漢大學(xué)肖孟教授和香港科技大學(xué)陳子亭教授為論文的共同通訊作者，北京理工大學(xué)本科生王晨陽和香港科技大學(xué)張肇慶教授同時(shí)做出了重要貢獻(xiàn)。該工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金重大研究計(jì)劃培育項(xiàng)目、青年項(xiàng)目、應(yīng)急管理項(xiàng)目、北京理工大學(xué)青年教師學(xué)術(shù)啟動(dòng)計(jì)劃、山東師范大學(xué)光場(chǎng)調(diào)控及應(yīng)用中心和華為技術(shù)有限公司等的支持。
文章信息：Cuicui Lu,* Chenyang Wang, Meng Xiao,? Z. Q. Zhang, C. T. Chan,? "Topological Rainbow Concentrator Based on Synthetic Dimension", Physical Review Letters 126, 113902 (2021).
文章鏈接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.126.113902
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