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现代通信研究所彭超副教授与合作者在《科学》发表非厄米系统费米弧观测研究成果

发布时间:2018-1-17

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拓扑性质是几何或空间在连续改变形状后仍然保持不变的一些性质。将拓扑效应引入凝聚态物理系统,被证明是理解微观奇异世界的关键之一。2016年,凝聚态材料中的拓扑相与拓扑相变被授予诺贝尔物理学奖。然而,当前拓扑物理学领域鲜见对开放系统(物理上也称为非厄米系统)拓扑性质的实验观测,这是由于开放系统是能量不守恒的体系,能量的增长或泄露都将增大体系复杂性和测量难度。

用光子学方法研究物理体系的拓扑性质,是理解拓扑物理学基本原理的一种有效手段。作为一种由成千上万周期性分布的介质微结构所组成的人造晶体,光子晶体完美体现了凝聚态量子系统的物理规律。处于光锥之上的光子可从光子晶体中逃逸,因此该体系实际上就是一个非厄米系统。通过测量逃逸光子的状态(例如频率和偏振),即可直接实验观测体系的拓扑性质。

北京大学信息科学技术学院现代通信研究所、区域光纤通信网与新型光通信系统国家重点实验室彭超副教授,与麻省理工学院物理学系Marin Soljacic教授课题组,宾夕法尼亚大学物理学与天文学系Bo Zhen助理教授合作,对非厄米系统的拓扑性质展开直接实验研究,成功观测到非闭合的费米弧(Fermi arcs)和偏振态半核(polarization half-charge)现象。

      

       费米弧是能量等高线上具有开放端点的不闭合弧——这一现象打破了能量等高线必为闭合曲线的直观认知,一般被认为存在于三维体系的二维表面上。与之不同的是,彭超等人实验观测的费米弧来自三维体系自身,而非其二维表面,因此被叫做体费米弧。体费米弧连接了系统中的两个辐射奇异点(exceptional points),体现出非厄米系统的拓扑性质。同时,他们还观测到系统内拓扑性质的另一种表现——光子偏振态半核;也就是说,光子偏振在波矢空间以一定的闭合路径扭转半圈,类似于形成偏振态上的莫比乌斯环。宾州州立大学物理学系Mikael Rechtsman助理教授对这项工作给出有趣的评价:“系统损耗往往被认为是一种阻碍,而这里却成为获取系统拓扑性质的有效途径(Perhaps the most ingenious aspect of this work is that the authors use the fact that their system must necessarily lose photons, which is usually an obstacle and annoyance, to access new topological physics)。”

       2018111日,上述工作的相关成果以《成对辐射奇异点体系中体费米弧和偏振态半核的观测》(Observation of bulk Fermi arc and polarization half charge from paired exceptional points)为题,在线发表于《科学》(Science, DOI: 10.1126/science.aap9859);彭超为共同第一作者。在国家自然科学基金、国家留学基金青年骨干教师出国研修项目资助下,彭超与其合作者的研究融合了拓扑物理学(topological physics)、非厄米系统物理学(non-Hermitian physics)和奇点光学(singular optics),为拓扑光子学领域开拓了新方向。

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图在成对奇异点(exceptional points)(红色)附近所观测到的奇特拓扑景象(粉色线为费米弧,上部和下部的莫比乌斯待为偏振态半核)