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西安交大科研人员与合作者首次实现非线性二阶光学拓扑绝缘体

来源:西安交通大学时间:2021-07-08

拓扑绝缘体是一种新型的物质相,其最独特的特点为表面导电、内部绝缘。表面导电的电流具有手性(chiral)特点并受到拓扑保护,因此表面电流不会因为缺陷或无序而发生散射。特别是2016年诺贝尔物理学奖颁给研究拓扑相变的三位科学家后,有关拓扑绝缘体的研究受到了空前关注。

目前,拓扑绝缘体的概念已经从凝聚态物理延伸到物理的多个分支,包括光学、声学、力学、电路等方面。在光学领域,光学拓扑绝缘体的研究因光学平台具有易引入非线性机理和非厄米机理的优势成为光学研究领域的热点。其中,高阶拓扑相是最吸引人的众多研究课题之一。高阶拓扑绝缘体是一种不满足体-边界对应关系的新型拓扑相。一般地,一个d维的n阶拓扑绝缘体可以支持d-n维的拓扑边界态。对于一个二阶拓扑绝缘体(n=2),如果体系是二维的(d=2),可以支持0维的拓扑边界态,即角态(corner state)。因此高阶拓扑相只存在于不低于二维的体系中。

近年来,光学高阶拓扑绝缘体的相关研究得到了蓬勃发展,并且揭示了它在模式约束等方面的潜在巨大应用价值。然而大部分研究仅限于线性范畴,非线性调控高阶拓扑相的研究亟待加强。众所周知,非线性调控拓扑相不仅可以带来丰富多彩的物理现象,例如双稳边界态、拓扑激光、拓扑边界态孤子等,而且为光场空间调控提供了新的技术手段,在未来发展可集成光学功能器件方面具有应用潜力。

高阶拓扑绝缘体中的非线性角态、边界态和体态

近日,电信学部电子学院等离子体与微波电子学研究所张贻齐副教授与德国罗斯托克大学Alexander Szameit教授、俄罗斯科学院Yaroslav V. Kartashov教授等人合作,从实验和理论两方面开展了非线性调控高阶拓扑相的研究,首次实现了非线性光学二阶拓扑绝缘体。本工作利用飞秒激光直写技术在硅基材料中制备光晶格,系统地探究了拓扑相下光晶格的特征,实现了非线性拓扑角态和角态孤子。

相关成果以“Nonlinear second-order photonic topological insulators”为题目于7月1日发表在《自然·物理学》杂志上。张贻齐副教授为共同第一作者,德国罗斯托克大学Alexander Szameit教授为通讯作者,本研究获得了国家自然科学基金面上项目的支持。

张贻齐副教授长期从事拓扑光子学与类量子效应的研究,近年来以第一作者及通讯作者在Physical Review Letters、Nature Communications、Laser & Photonics Reviews、Optica、ACS Photonics等国际著名期刊发表SCI收录论文近40篇。

论文链接:https://doi.org/10.1038/s41567-021-01275-3