该研究团队的体系中引入了周期性的宇称-时间对称性的调制,发现其中光子边界态不再像电子系统中那样受时间反演对称性保护

该研究团队的体系中引入了周期性的宇称-时间对称性的调制,发现其中光子边界态不再像电子系统中那样受时间反演对称性保护。该研究团队的体系中引入了周期性的宇称-时间对称性的调制,发现其中光子边界态不再像电子系统中那样受时间反演对称性保护。我校固体微结构物理国家重点实验室、现代工程与应用科学学院、人工微结构科学与技术协同创新中心刘晓平、卢明辉和陈延峰教授课题组在人工微结构物理与带隙材料研究中取得的重要进展——“宇称-时间对称的布洛赫振荡”。他们与加州理工、中科院物理所合作,利用先进的硅基片上集成工艺技术,成功制备出宇称-时间对称性调控的二维PT对称超构材料,研究通讯波段红外光波在其中的集体传播行为。首次实现了无阈值的宇称-时间对称性破缺的布洛赫振荡现象,并发现由此导致的二次辐射。相关成果以《Experimental
realization of Bloch oscillations in a Parity-Time synthetic silicon
photonic lattice》为题发表于《Nature Communications》[该研究团队的体系中引入了周期性的宇称-时间对称性的调制,发现其中光子边界态不再像电子系统中那样受时间反演对称性保护。该研究团队的体系中引入了周期性的宇称-时间对称性的调制,发现其中光子边界态不再像电子系统中那样受时间反演对称性保护。Y-L. Xe et al.,
Nat. Commun. 7,11319]该研究团队的体系中引入了周期性的宇称-时间对称性的调制,发现其中光子边界态不再像电子系统中那样受时间反演对称性保护。该研究团队的体系中引入了周期性的宇称-时间对称性的调制,发现其中光子边界态不再像电子系统中那样受时间反演对称性保护。。

该研究团队的体系中引入了周期性的宇称-时间对称性的调制,发现其中光子边界态不再像电子系统中那样受时间反演对称性保护。我校固体微结构物理国家重点实验室、现代工程与应用科学学院、人工微结构科学与技术协同创新中心卢明辉和陈延峰教授课题组在“光拓扑绝缘体”方面取得重要进展。他们提出了一种基于压电/压磁超晶格构成的时间反演破缺“光拓扑绝缘体”模型,研究了这个系统中光子的拓扑性质,发现其中光子边界态不再像电子系统中那样受时间反演对称性保护,取而代之的是一种人工构造的赝时间反演算符Tp保护的边界态。相关成果以《Photonic
topological insulator with broken time-reversal
symmetry》为题发表于《美国科学院院报》[该研究团队的体系中引入了周期性的宇称-时间对称性的调制,发现其中光子边界态不再像电子系统中那样受时间反演对称性保护。该研究团队的体系中引入了周期性的宇称-时间对称性的调制,发现其中光子边界态不再像电子系统中那样受时间反演对称性保护。C. He et al., Proc. Natl. Acad.
Sci. U.S.A. , doi:10.1073/pnas.1525502113]。

该研究团队的体系中引入了周期性的宇称-时间对称性的调制,发现其中光子边界态不再像电子系统中那样受时间反演对称性保护。2015年12月24日,应我校物理科学与技术学院邀请,首批“万人计划”青年拔尖人才,江苏省杰出青年基金获得者南京大学卢明辉教授来我校交流,并于上午10点在行健楼四楼会议室为我校师生作题为“On-Chip
Parity-Time Symmetry Synthetic
Metamaterials”的学术报告,报告由物科院吴大建教授主持。物理科学学院凝聚态物理,物理电子学,光学工程,电路与系统等专业的教师,研究生和本科生参加了本次报告会。

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该研究团队的体系中引入了周期性的宇称-时间对称性的调制,发现其中光子边界态不再像电子系统中那样受时间反演对称性保护。卢明辉教授重点介绍了他所在的课题组近几年在Science,Nature
Materials以及Physics Review
Letters上发表的工作成果及一些目前进行的研究。卢教授课题组和加州理工课题组合作,首次在Si基光子芯片系统上通过设计时空对称超构材料,在其时空对称的相变奇异点实现了波导中的光波单向模式转换,单向反射,以及波导阵列中的布洛赫震荡和二次辐射效应。这些研究工作将为人工微结构材料操纵光子的研究开辟了新的途径。卢明辉教授的报告加深了我校在场师生对人工超材料的认识,扩宽了研究生在光子操纵技术应用方面的见识。

该研究团队的体系中引入了周期性的宇称-时间对称性的调制,发现其中光子边界态不再像电子系统中那样受时间反演对称性保护。图-1
二维宇称-时间对称超构材料的设计及实验制备的材料,以及光学耦合输入端口的放大图。

该研究团队的体系中引入了周期性的宇称-时间对称性的调制,发现其中光子边界态不再像电子系统中那样受时间反演对称性保护。图-1
光偏振庞加勒球以及左、右旋光态。基于压电超晶格构成的光子晶体“光拓扑绝缘体”。

该研究团队的体系中引入了周期性的宇称-时间对称性的调制,发现其中光子边界态不再像电子系统中那样受时间反演对称性保护。该研究团队的体系中引入了周期性的宇称-时间对称性的调制,发现其中光子边界态不再像电子系统中那样受时间反演对称性保护。报告结束后,我们踊跃提问,卢教授认真地解答了与会老师与同学的问题,并与师生就相关问题进行了热烈讨论。最后,报告会在热烈的掌声中顺利结束。

最近几年来,宇称-时间对称光子学的研究引起了人们的极大关注,被《自然-物理》选为近十年来物理学的十大发现之一(Nature
Phys. 11,
799。在此之前,该课题组曾经报道了在一维Si基波导上制备PT对称超构材料,成功实现了单向模式转换(Science,2011)和单向无反射传播(Nat.
Mater.
2013)两个重要的进展。这篇论文报道了该研究国家在这个方面的研究拓展:从一维拓展到二维。在二维PT对称超构材料中,涉及到更复杂的耦合过程。类比于电子晶格体系,该国家设计的二维体系中引入了光场的梯度“力”,使得其本征模式劈裂成无数个均匀“能量”间隔模式组成的Wannier-Stark阶梯;通过整体激发阶梯中的所有这些模式,在这个二维晶格中可以发生由这些模式相干叠加形成的实空间的经典布洛赫振荡。然而,与电子系统不同,该研究团队的体系中引入了周期性的宇称-时间对称性的调制,将光场的梯度“力”变成同时具有实部和虚部,因此,Wannier-Stark阶梯演化成为“复能量”空间上的两套由无数个模式组成的阶梯,其中一套带有有效增益,另外一套带有纯损耗。由于这个新的维度的引入,其中的布洛赫振荡的物理图像变得不同寻常,表现为新的Wannier-Stark阶梯在传播过程中不停地向外辐射能量,而在布洛赫振荡的恢复点附近形成了最强的二次辐射。

拓扑绝缘体的概念首先是在电子系统中提出并实现的,其具有体能带绝缘和边界态连续的特征,存在一对自旋锁定的单向传播边界态,其传播受时间反演对称性保护,具有鲁棒性。最近几年来,光子系统的拓扑性质也引起了人们的极大关注。众所周知,电子是自旋1/2的费米子,光子是自旋为1的玻色子,其时间反演算符与电子的时间反演算符具有本质区别,而电子拓扑绝缘体的出现与费米子时间反演导致的Kramers简并相关。类比于拓扑绝缘体,光子系统在不满足电子系统Kramers简并的条件下,是否具有受时间反演对称性保护的边界态?这是一个带有根本性的问题。这篇论文就这个基本问题给出了一个答案:对光子,或者更一般地说是所有玻色系统中,其本身的时间反演对称性并不足以保证构成光拓扑绝缘体,也就是说,它不能够保证边界态的鲁棒性。但通过人工微结构光子晶体,能够构造一类新型“光拓扑绝缘体”,它以左旋光和右旋光为一对基,他们满足Tf算符类似的人工对称性(赝时间反演算符Tp),从而实现了Kramers简并和光拓扑绝缘体。

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依托南京大学在介电体超晶格方向三十余年的研究积累和理论实验基础,文中提出了一种基于压电/压磁超晶格的光子晶体模型来阐述这一发现。压电/压磁超晶格具有内在的磁化方向,从而破坏了时间反演对称性。当光入射时,超晶格的晶格振动将与之耦合形成极化激元。该极化激元具有偏振依赖性:左旋光和右旋光与超晶格耦合所形成的极化激元具有大小相同但符号相反的耦合系数,即偏振-轨道耦合(类比电子的自旋-轨道耦合),经历相反的等效规度场,从而实现光拓扑绝缘体。理论和模拟分析证明:光拓扑绝缘体的拓扑性质是受赝时间反演对称性Tp保护的,而不是通常认为的玻色子时间反演对称性Tb。

物科院供稿

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宇称-时间调制的光晶格中的布洛赫振荡理论模拟,布洛赫振荡恢复点附近的理论模拟结果,中区域的近场光学测量实验结果。

文章着眼于对称性这一拓扑绝缘体研究中最本质和关键的问题,提出:玻色子时间反演对称条件对设计和构造光拓扑绝缘体而言,既不必要也不充分。对玻色子的时间反演对称与否只是反映系统是否需要外加“磁场”或存在“内在磁化”。释放这一条件,就可以利用更多种自由度,构造更易于在光子系统中实现和调控新的拓扑光子态。对拓扑态而言,更为重要的基本条件是基和材料对于类似于费米子的赝时间反演操作是否是对称的。这个工作的意义在于:1.
提供了一种新的光拓扑绝缘体设计;2.
提出构造玻色子拓扑绝缘体的前提条件是人工构造一个对称性Tp;3.
保护该类玻色子拓扑绝缘体的基本操作正是该对称性Tp,而不是玻色子时间反演本身。审稿人的指出:这一工作是这个领域中重要的一步,是这个领域的一个重要进展,为下一步光拓扑绝缘体的设计提供了指针。(The
authors’ proposal offers a different perspective on this problem which
one can certainly argue provides a significant step forward in the study
of this phenomena.”“This finding is an important progress for the
community. It not only clarifies the role of time-reversal symmetry and
pseudo time-reversal symmetry in bosonic topological insulator, but also
provides guidance for future photonic TI design.”。)

2015年12月25日

论文首次在实验上实现了硅基集成的PT二维晶格,研究了在PT对称性调控的超构材料中光波的传播、耦合和辐射行为,并首次观测到了PT对称超构材料中特有的、伴随有二次辐射的布洛赫振荡现象。特别重要的一点是:这里的布洛赫振荡发生在无阈值的宇称-时间对称性破缺点。这意味着即便是具有无穷小的损耗的宇称-时间调制,布洛赫振荡二次辐射过程都是可以观测到的。

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PT对称的量子力学方程具有非厄密的哈密尔顿,却具有实本征谱,被认为是研究开放系统量子物理的重要方程,最近一些年来备受关注。PT对称光子学是目前在PT对称量子力学实验方面开展研究最为深入的领域。另一方面,该研究在Si基光子芯片上首次实现了二维的PT对称超构材料,而Si基光子学是目前光电子器件最重视的发展领域。因此,上述理论和实验不仅在基础物理方面具有重要意义,而且对于Si基光子学器件原理的拓展,都具有重要意义。

图-2四种不同类型杂质检验其鲁棒性Tb不破缺,Tp破缺。Tb,Tp均破缺;Tb不破缺,Tp破缺:Tb,Tp均不破缺

南京大学的博士生徐叶龙、加州理工的William S.
Fegadolli博士、中科院物理所的甘霖副研究员是论文的共同第一作者,卢明辉教授和刘晓平教授为共同通讯作者。本工作是加州理工的Axel
Scherer教授、中科院物理所李志远研究员以及南京大学的陈延峰教授小组共同合作的研究成果。项目得到了科技部重大研究计划、国家自然科学基金委项目、中组部青年千人计划等基金的资助。

何程博士是论文的第一作者,博士生孙晓晨为第二作者,卢明辉教授和陈延峰教授为共同通讯作者。我校现代工程与应用科学学院刘晓平教授,英国牛津大学陈宇林教授,美国纽约州立大学布法罗分校的冯亮教授参与了这个课题的研究。

(现代工程与应用科学学院 科学技术处)

研究得到了科技部重大研究计划、国家自然科学基金委项目、中组部青年千人计划等基金的资助。

(现代工程与应用科学学院 科学技术处)