衍射是光束的自然屬性。它允許光線(xiàn)繞過(guò)障礙物。由于光作為信息的載體，許多技術(shù)應(yīng)用必須減輕衍射的一些扭曲效應(yīng)。拓?fù)浣^緣體在凝聚態(tài)物理中首次亮相，十多年來(lái)一直引起人們的興趣。光子拓?fù)浣^緣體有助于確保光束沿其邊緣一致傳播。穩(wěn)健的光子邊緣狀態(tài)是開(kāi)發(fā)片上光子技術(shù)的關(guān)鍵。
雖然光子拓?fù)浣^緣體可以確保邊緣狀態(tài)并防止其輻射到絕緣體的主體中，但由于傳播過(guò)程中的衍射，邊緣狀態(tài)仍然可以沿著絕緣體的邊緣變寬或擴(kuò)展。為了解決這個(gè)問(wèn)題，在光子拓?fù)浣^緣體中引入非線(xiàn)性以構(gòu)建拓?fù)溥吘壒伦?。由于衍射和非線(xiàn)性自作用的平衡，孤子是一種在傳播過(guò)程中保持其形狀的孤立波。由此產(chǎn)生的孤子繼承了其相應(yīng)線(xiàn)性拓?fù)溥吘墵顟B(tài)的拓?fù)浔Ｗo(hù)。
拓?fù)溥吘壒伦涌梢杂行У胤乐构馐难苌浜洼椛鋯?wèn)題。迄今為止，它們主要在具有破壞的時(shí)間反轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)性的光子拓?fù)浣^緣體中進(jìn)行研究，這強(qiáng)烈依賴(lài)于施加的磁場(chǎng)。然而，光子系統(tǒng)自然對(duì)磁場(chǎng)不敏感，因此通常需要對(duì)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)進(jìn)行精心設(shè)計(jì)，這在理論設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)實(shí)施方面都帶來(lái)了挑戰(zhàn)。
正如高級(jí)光子學(xué)中報(bào)道的那樣來(lái)自中國(guó)西安交通大學(xué)和南開(kāi)大學(xué)的研究小組最近發(fā)現(xiàn)了一種新的獨(dú)立于磁場(chǎng)的拓?fù)溥吘壒伦?。他們使用非線(xiàn)性光折變晶格，利用谷霍爾效應(yīng)，這是由于調(diào)整復(fù)合晶格結(jié)構(gòu)中的折射率而發(fā)生的。“谷”是晶格能帶結(jié)構(gòu)中的一個(gè)區(qū)域。如果保持晶格的對(duì)稱(chēng)性，則可以生成具有其特征沙漏形狀的狄拉克錐。通過(guò)在空間上調(diào)整復(fù)合晶格對(duì)稱(chēng)性，研究人員產(chǎn)生了 II 型狄拉克錐體的翼狀傾斜形狀。這些錐體具有根據(jù)測(cè)量方向而不同的色散特性，并且它們?cè)试S準(zhǔn)粒子介導(dǎo)的現(xiàn)象在高能或凝聚態(tài)物理中不存在類(lèi)比。谷霍爾邊緣孤子繼承了其線(xiàn)性對(duì)應(yīng)物的拓?fù)浔Ｗo(hù)，不需要任何外部磁場(chǎng)。結(jié)果是光束堅(jiān)固、定位并在遠(yuǎn)距離傳播過(guò)程中保持其形狀。
通訊作者西安交通大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院張益奇說(shuō)：“這項(xiàng)工作為拓?fù)溥吘墤B(tài)的空間操縱提供了一種新方法。我們的研究結(jié)果表明，不同物理機(jī)制的相互作用可能帶來(lái)新的可能性在開(kāi)發(fā)光子技術(shù)。”作者認(rèn)為，所展示的方法可能在未來(lái)光子芯片的開(kāi)發(fā)中具有潛在應(yīng)用。除了潛在的應(yīng)用之外，這一發(fā)現(xiàn)還可能有助于加深對(duì)非凡物理準(zhǔn)粒子的集體理解，例如違反洛倫茲的 II 型狄拉克/外爾費(fèi)米子。
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