近日，人工微结构和介观物理国家重点实验室“极端光学创新研究团队”的王剑威研究员和龚旗煌教授团队与合作者提出并实现了一种由光学非线性调控的高速非厄米拓扑相变。研究团队利用硅纳米波导的四波混频增益，在硅基集成光学拓扑绝缘体上实现了从禁带到非厄米传输边界态的百皮秒量级快速非厄米相变过程，成功重构了具有拓扑保护特性的相干光学输运信道。2023年10月23日，相关成果以“非线性调控的非厄米拓扑相变”（Non-Hermitian topological phase transitions controlled by nonlinearity）为题，发表于《自然·物理》（Nature Physics）杂志。

拓扑、非厄米和非线性均为光学领域的研究焦点，但具有截然不同的物理图像和应用。其中，拓扑光子学向非厄米领域的延伸不仅仅展示了多重相之间新奇的协同和相变物理现象，还成功实现了拓扑激光、拓扑纠缠光源以及非厄米诱导可重构拓扑光子器件等。另一方面，光学非线性在材料中普遍存在并具有快速可控的特点，因此常被用来操控“增益-损耗”类型的非厄米光学器件。近年来，非线性光学也被应用到拓扑光子器件的调控中，例如观察到了非线性诱导的拓扑相变和非线性弗洛凯拓扑孤子等。而拓扑、非厄米与非线性的三者结合可以融合各自的优势，有可能带来新物理和重要应用。

图1 基于光学非线性诱导的高速非厄米拓扑相变

研究团队将拓扑、非厄米和非线性进行巧妙融合，以硅纳米波导的四波混频非线性调控为桥梁，将拓扑保护和超快非厄米相变相结合，成功在拓扑光学禁带产生了兼具拓扑鲁棒性和非线性快速响应特点的非厄米边界态（图1）。其中，处于拓扑边界态的泵浦光和信号光，通过非线性效应为处于光学禁带的闲频光在器件边界提供了参量增益，并与拓扑能带结构的阻断损耗相互竞争。通过非线性增益和阻断损耗的调控，实验观察到了引入奇异点的非厄米相变过程，原来的禁带被新产生的非厄米边界态打通，在拓扑结构中形成了新的光学输运信道。

通过路径干涉和时域调控实验，合作团队还分别证明了非厄米边界传输信道的光学相干性的恢复、达到了非线性调控的百皮秒级快速非厄米相变时间（图2）。通过将该拓扑器件与拓扑平庸器件进行实验和理论的对比，非厄米传输边界态的鲁棒性也得到了展示。该工作为具有强非线性的光学材料中多重相间的快速能带调控提供了一种新方法，有望发展出具有拓扑鲁棒、高速调控的光量子器件。团队前期还发展出了拓扑保护的量子纠缠光源（Nature Photonics16, 248-257 (2022)）。拓扑量子器件的研究有望应用于研制大规模集成的大尺度光量子计算器件与芯片，探索量子体系的拓扑物理和现象等。

图2 非厄米边界信道的相干性证明、非线性驱动的百皮秒级非厄米拓扑相变实验结果

北京大学物理学院2019级博士研究生戴天祥为第一作者，本实验室王剑威为通讯作者。主要合作者还包括：中国科学院微电子研究所杨妍研究员、唐波高级工程师、李志华研究员、罗军研究员、王文武研究员；本实验室胡小永教授、龚旗煌教授；北京大学物理学院博士研究生敖雨田、茆峻、郑赟、翟翀昊、李延东；北京大学物理学院本科生袁竞择。

上述研究工作得到了国家杰出青年科学基金、国家自然科学基金、国家重点研发计划、北京市自然科学基金、广东省重点领域研发计划，以及人工微结构和介观物理国家重点实验室、纳光电子前沿科学中心、北京大学长三角光电科学研究院、合肥量子国家实验室等大力支持。

论文原文链接：https://www.nature.com/articles/s41567-023-02244-8

信息来源：北京大学物理学院网站