近日，南開大學陳志剛教授、許京軍教授領(lǐng)導的課題組與克羅地亞Zagreb大學Hrvoje Buljan教授的課題組合作研究，在非線性拓撲光子學領(lǐng)域取得了重要進展：他們基于一維SSH拓撲光子晶格，實驗和理論上研究了光與拓撲光學微結(jié)構(gòu)的非線性相互作用，發(fā)現(xiàn)了非線性導致的體態(tài)模式向拓撲界面態(tài)模式的耦合，并構(gòu)建出了普適的非線性模式耦合的理論框架。該研究成果以“ Nontrivial coupling of light into a defect: the interplay of nonlinearity and topology ”為題發(fā)表在Light: Science & Applications上。

 

近年來，拓撲光子學是光學中最活躍的新興研究領(lǐng)域之一。拓撲是為了理解量子霍爾效應(yīng)等基本物理現(xiàn)象而引入的數(shù)學概念，成功地解釋了量子霍爾效應(yīng)，并促進了拓撲絕緣體的發(fā)展。當兩種具有不同拓撲不變量的結(jié)構(gòu)拼接在一起時，由于體-邊界的對應(yīng)原理，會在兩種結(jié)構(gòu)的交界面產(chǎn)生具有魯棒特性單向傳輸?shù)慕缑鎽B(tài)。由于拓撲概念可用來描述能帶結(jié)構(gòu)的性質(zhì)，這種體-邊界對應(yīng)關(guān)系普遍存在于量子和經(jīng)典波動系統(tǒng)周期結(jié)構(gòu)中。隨著2009年微波波段單向傳輸?shù)耐負溥吔鐟B(tài)在實驗上首次被觀測到，光子學拓撲絕緣體以及光的拓撲特性相關(guān)的一系列研究相繼在許多不同的光學材料中得以實現(xiàn)，比如波導陣列、耦合諧振腔及超構(gòu)材料等，逐漸形成了方興未艾的光子學分支：拓撲光子學。 

目前，由于實驗和理論上的一些困難，大多數(shù)拓撲光子學的研究工作主要集中在線性的拓撲效應(yīng)上。然而，非線性效應(yīng)的引入可能帶來許多新穎的物理現(xiàn)象。比如在電子體系中，拓撲結(jié)構(gòu)與多體相互作用能夠產(chǎn)生分數(shù)量子霍爾效應(yīng)；在光子體系中，非線性的引入不僅會產(chǎn)生拓撲光孤子、非線性誘導的光學拓撲相變等新現(xiàn)象，也可以實現(xiàn)非線性拓撲頻率轉(zhuǎn)換以及拓撲激光等新的應(yīng)用。盡管在人們非線性拓撲光子學領(lǐng)域已經(jīng)取得了一些進展，關(guān)于非線性與拓撲結(jié)構(gòu)本征態(tài)的耦合問題及非線性與拓撲結(jié)構(gòu)之間的相互作用相關(guān)物理機制等仍然還很空白。 

在本工作中，研究人員以一維光誘導SSH光子晶格為平臺，實驗上發(fā)現(xiàn)在拓撲非平庸的光子結(jié)構(gòu)中，非線性能夠?qū)崿F(xiàn)體態(tài)和拓撲邊界態(tài)以及界面態(tài)之間的耦合。基于此，研究人員提出了非線性拓撲系統(tǒng)下模式耦合的新理論，并成功的解釋了相關(guān)實驗結(jié)果。文中提及的實驗方法為研究非線性和拓撲結(jié)構(gòu)的相互作用提供了新的研究平臺�；�于一維非線性系統(tǒng)提出的非線性與拓撲結(jié)構(gòu)相互作用的理論框架具有普適意義，也能夠為其它高維的光學系統(tǒng)，乃至光學以外其它非線性拓撲體系的相關(guān)研究提供理論借鑒。 

 

圖片：拓撲非平庸與拓撲平庸一維SSH光子晶格中，探測光在線性和非線性作用的演化結(jié)果對比，左側(cè)為拓撲非平庸結(jié)構(gòu)，右側(cè)為拓撲平庸結(jié)構(gòu)相對應(yīng)的實驗（上圖）以及模擬（下圖）結(jié)果。

本工作南開大學為第一完成單位，南開大學博士生夏士齊、王楠和克羅地亞薩格勒布大學Dario Jukic助理教授為共同第一作者。南開大學陳志剛教授、宋道紅副教授與南開大學特聘教授/克羅地亞Zagreb大學Hrvoje Buljan教授為共同通訊作者。合作者還包括德國的Alexander Szameit 教授和韓國 Daniel Leykam研究員等。相關(guān)工作得到了國家重點研發(fā)計劃項目、國家自然科學基金項目的資助。 

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