近日，beat365官方网站現代光學研究所“極端光學創新研究團隊”的王劍威研究員和龔旗煌教授團隊與合作者提出并實現了一種由光學非線性調控的高速非厄米拓撲相變。研究團隊利用矽納米波導的四波混頻增益，在矽基集成光學拓撲絕緣體上實現了從禁帶到非厄米傳輸邊界态的百皮秒量級快速非厄米相變過程，成功重構了具有拓撲保護特性的相幹光學輸運信道。2023年10月23日，相關成果以“非線性調控的非厄米拓撲相變”（Non-Hermitian topological phase transitions controlled by nonlinearity）為題，發表于《自然·物理》（Nature Physics）雜志。

拓撲、非厄米和非線性均為光學領域的研究焦點，但具有截然不同的物理圖像和應用。其中，拓撲光子學向非厄米領域的延伸不僅僅展示了多重相之間新奇的協同和相變物理現象，還成功實現了拓撲激光、拓撲糾纏光源以及非厄米誘導可重構拓撲光子器件等。另一方面，光學非線性在材料中普遍存在并具有快速可控的特點，因此常被用來操控“增益-損耗”類型的非厄米光學器件。近年來，非線性光學也被應用到拓撲光子器件的調控中，例如觀察到了非線性誘導的拓撲相變和非線性弗洛凱拓撲孤子等。而拓撲、非厄米與非線性的三者結合可以融合各自的優勢，有可能帶來新物理和重要應用。

圖1基于光學非線性誘導的高速非厄米拓撲相變

研究團隊将拓撲、非厄米和非線性進行巧妙融合，以矽納米波導的四波混頻非線性調控為橋梁，将拓撲保護和超快非厄米相變相結合，成功在拓撲光學禁帶産生了兼具拓撲魯棒性和非線性快速響應特點的非厄米邊界态（圖1）。其中，處于拓撲邊界态的泵浦光和信号光，通過非線性效應為處于光學禁帶的閑頻光在器件邊界提供了參量增益，并與拓撲能帶結構的阻斷損耗相互競争。通過非線性增益和阻斷損耗的調控，實驗觀察到了引入奇異點的非厄米相變過程，原來的禁帶被新産生的非厄米邊界态打通，在拓撲結構中形成了新的光學光學輸運信道。

通過路徑幹涉和時域調控實驗，合作團隊還分别證明了非厄米邊界傳輸信道的光學相幹性的恢複、達到了非線性調控的百皮秒級快速非厄米相變時間（圖2）。通過将該拓撲器件與拓撲平庸器件進行實驗和理論的對比，非厄米傳輸邊界态的魯棒性也得到了展示。該工作為具有強非線性的光學材料中多重相間的快速能帶調控提供了一種新方法，有望發展出具有拓撲魯棒、高速調控的光量子器件。團隊前期還發展出了拓撲保護的量子糾纏光源（Nature Photonics16, 248-257 (2022)）。拓撲量子器件的研究有望應用于研制大規模集成的大尺度光量子計算器件與芯片，探索量子體系的拓撲物理和現象等。

圖2非厄米邊界信道的相幹性證明、非線性驅動的百皮秒級非厄米拓撲相變實驗結果

beat365官方网站2019級博士研究生戴天祥為第一作者，王劍威為通訊作者。主要合作者還包括：中國科學院微電子研究所楊妍研究員、唐波高級工程師、李志華研究員、羅軍研究員、王文武研究員；beat365胡小永教授、龔旗煌教授；beat365官方网站博士研究生敖雨田、茆峻、鄭赟、翟翀昊、李延東；beat365官方网站本科生袁競擇。

上述研究工作得到了國家傑出青年科學基金、國家自然科學基金、國家重點研發計劃、北京市自然科學基金、廣東省重點領域研發計劃，以及beat365人工微結構和介觀物理國家重點實驗室、納光電子前沿科學中心、beat365長三角光電科學研究院、合肥量子國家實驗室等大力支持。

論文原文鍊接：https://www.nature.com/articles/s41567-023-02244-8