beat365官方网站、納光電子前沿科學中心、人工微結構和介觀物理國家重點實驗室“極端光學團隊”胡小永教授和龔旗煌院士等在非厄米拓撲光子學研究中取得重要進展。他們發現在二維PT對稱構型的耦合諧振環陣列光子拓撲絕緣體中存在拓撲相變；并且揭示了産生拓撲相變的内在條件：由耦合強度與增益損耗量共同決定的解析關系。相關研究成果發表在物理學權威期刊《物理評論快報》上。[“Topological Phase Transition in Non-Hermitian Coupled Resonator Array, Physical Review Letters 125(1), 013902 (2020)]

圖1 由耦合強度γ和增益損耗量κ決定的二維拓撲相圖。拓撲相界面由數學關系tanγ=cosh(2κ)描述。

拓撲光子學是光學新興的研究方向，因非平凡的拓撲光子系統具有穩定抗散射的單向邊界态性質而被廣泛研究。非厄米拓撲體系因其存在更豐富的物理現象及重要的應用潛力在近年來成為國際研究的熱點；但是非厄米拓撲系統的内在物理十分複雜，因而在二維非厄米拓撲光子體系中實現拓撲相變以及精确的主動調控面臨巨大挑戰。研究團隊采用傳輸矩陣方法分析了滿足PT對稱性的耦合諧振環陣列光子拓撲絕緣體，通過計算體系能帶結構證明了該非厄米體系中存在拓撲相變，并通過代數分析得到了描述拓撲相變發生條件的解析關系式，由此解析關系即得到了該非厄米系統的一個二維拓撲相圖（圖1）。通過數值計算得到了有限諧振環陣列在不同增益損耗量情況下的電場模式分布（圖2），顯示了該體系在增益-損耗維度發生拓撲相變的過程。該研究結果顯示，通過對系統主環外加泵浦的方式，即可在拓撲非平凡态與平凡态間切換。這一發現為調控光子拓撲絕緣體拓撲相變提供了一個新的維度，對主動調控拓撲态的進一步發展具有指導作用，并對非厄米拓撲光子學的進一步研究具有啟發意義。

圖2 8×8諧振環陣列在不同增益損耗情況下的電場模式分布。随着增益損耗量增大，系統從拓撲非平凡态相變為拓撲平凡态。

beat365博士生敖雨田是文章第一作者。相關研究工作由beat365團隊、北京理工大學路翠翠副教授、北京工業大學富聿岚副教授、北京化工大學王興遠合作完成。研究工作得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金委、量子物質科學協同創新中心、極端光學協同創新中心和北京市科學技術委員會等的支持。