Light: 楊兆舉 | 拓撲分形光子學

2021-01-14 LightScienceApplications

本文第一作者為以色列理工學院物理系楊兆舉博士，通訊作者為Mordechai Segev教授，相關成果以「Photonic Floquet topological insulators in a fractal lattice」為題，發表在國際頂級光學期刊《Light: Science & Applications》。

圖片來源：Light:Science & Applications近日，以色列理工學院楊兆舉博士與Mordechai Segev教授提出了拓撲分形光子學的概念，文章發表於國際頂級光學期刊：Light: Science & Applications 。作者基於Sierpinski gasket分形結構，構建了可通過飛秒雷射直寫技術加工的螺旋光波導晶格，理論驗證了拓撲邊界態的存在。
拓撲絕緣體是一種內部絕緣，邊界具有導電性的新物質狀態。它是物理學重要的科學前沿之一，且促進了近年來經典波系統中拓撲態的研究與發展。其中拓撲光子學發展迅速，得到了廣泛的關注。此領域的發展提供了一種新型的光學人工材料：光拓撲絕緣體。其具有非平凡的傳輸性質：內部不支持波通過，邊界支持單向傳輸的邊界態並且具有魯棒性。然而迄今為止，幾乎所有拓撲絕緣體的研究都是在整數維度（2D or 3D），具有嚴格的內部和邊界。如果實際結構具有分數維度（分形），沒有內部，是否還存在著拓撲邊界態呢？這個問題的回答對於研究拓撲物理具有重要意義。作者在編輯文章的過程中，注意到分形電子系統中拓撲態的研究進展，然而至今並沒有合適的電子體系可以實驗驗證。
本工作中，基於Sierpinski gasket分形結構，作者構建了可飛秒雷射直寫的螺旋光波導晶格（螺旋波導作為周期驅動系統，可引入等效的磁場），如圖1所示。圖中分別展示了四代Sierpinski gasket，其具有自相似性，例如G(4)可由三個G(3)疊加而成，以此類推。我們可以看到，在此結構中沒有嚴格的內部，每一個格點都可以當作邊界。
通過理論計算，作者發現在此光子分形晶格中存在著具有拓撲保護的邊界態，對應實空間陳數為1。圖2顯示了在G(4)分形晶格中外部邊界態的傳輸性質。可以看到，光波能夠沿著分形晶格外部邊界單向傳播（a-e），繞過銳角(c)並且幾乎不受雜質（f-j）的影響。藍色圓點標註了（f-j）在外邊界上雜質的位置。文中的分形晶格完全可由飛秒雷射直寫技術加工製造，相關實驗正在進行當中。
綜上，本文報導了分形系統中的拓撲光子學，理論驗證了具有拓撲保護邊界態的存在。這一進展提供了研究拓撲物理的新體系，並且在高靈敏度傳感器，半導體雷射器與光量子晶片等領域具有潛在應用價值。該研究成果以「Photonic Floquet topological insulators in a fractal lattice」為題在線發表在Light: Science & Applications。本文第一作者為以色列理工學院物理系楊兆舉博士，通訊作者為Mordechai Segev教授。https://www.nature.com/articles/s41377-020-00354-z 歡迎課題組投遞成果宣傳稿轉載/合作/課題組投稿，請加微信：447882024


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