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研究：Science：光的“漏斗”


北京联盟_本文原题：Science：光的“漏斗”

研究：Science：光的“漏斗”
本文插图

图1：光漏斗捕获光信号示意图
撰稿 | 李迪
01
导读
维尔茨堡大学与罗斯托克大学的物理学家合作开发了一种光漏斗装置 。
罗斯托克大学AlexanderSzameit教授领导的研究小组利用“非厄米趋肤效应”的物理机制 ， 可以将10公里长的光纤中的光信号聚焦在一个特定的点上 ， 实现了“光漏斗” 。 它可以作为超敏光学探测器的新平台 。
Ronny Thomale教授在维尔茨堡的Julius-Maximilian大学担任理论凝聚态物理的教授 ， 发现和理论描述物质的新量子态是他的主要研究领域之一 。
他说：“在理论物理学家的实践中 ， 为一种新的物理现象发展一种理论 ， 然后寻找新的实验来激发这种效应 ， 是最激动人心的时刻之一 。 ”
02
研究背景
拓扑物质已经成为当代物理学研究中最活跃的领域之一 。
拓扑一词来源于古希腊语 ， 意为“学习”和“地方” ， 是一门以数学为主的学科 ， 现在已广泛扩展到物理学 ， 包括光学 。
拓扑材料与其他合成物质一起 ， 形成了更广阔的研究方向——拓扑超材料 。
物理学家们并不满足自然界提供的物质和化学成分 ， 开发了由人工定制的自由度组成的合成晶体 。
Thomale和Szameit开发的“光漏斗” ， 选择的就是一种拓扑光纤 ， 光沿着光纤传导 ， 同时允许进行详细的空间分辨操作 。
实验中在处理周期系统时 ， 经常近似为“无限扩展” ， 因为边界处微小变化不会引起系统的明显偏差 ， 一个著名例子是厄米Su Schrieffer Heeger (SSH)模型中的拓扑边界模式 。
然而 ， 最近有人提出 ， 当某些系统中的非厄米性不是增益和损耗导致的 ， 而是由于在各向异性的晶格中 ， 一个界面的存在导致所有的本征模态在这个界面上局域化 ， 这一现象被称为“非厄米趋肤效应” 。
这一效应引起了在非厄米拓扑系统中关于体边界对应(BBC)有效性的激烈争论 ， BBC是拓扑物理的一个重要概念 ， 要求体与边界共存 ， 体的量可以用来预测边界的性质 。
研究小组通过控制各向异性的耦合来实现一个非厄米光子晶格 。 界面的出现导致整个本征模态光谱完全崩溃 ， 界面上所有模态呈指数局域化 。
因此 ， 晶格内的任何光场 ， 无论其形状和输入位置如何 ， 都向这个界面运动 ， 被称为“非厄米趋肤效应”的拓扑现象 。
基于这一现象 ， 研究小组展示了一个高效的光漏斗 ， 可以将10公里长的光纤中的光信号聚焦在一个特定的点上 ， 并且可以应用于高灵敏度光学探测器 。
03
创新研究
3.1聚焦10公里长光纤中的光信号
研究小组实现了一种被称为“光漏斗”的效应：依据“非厄米趋肤效应” ， 一根10公里长的光纤中的光信号能够在导线中一个特定的点上进行聚焦 。
具体做法为：通过控制光纤环路中的各向异性耦合 ， 将晶格与各向异性的不同方向连接 ， 产生光的漏斗效应 ， 该效应依赖于各向异性耦合所引起的非厄米趋肤效应及其非平凡拓扑特性 。
这一工作使人们能够理解物质拓扑状态框架下的趋肤效应 。
研究小组比较了两种模式：
①厄米 SSH模型（图2A） ， 由具有交替耦合常数的近邻耦合晶格点链组成 ， 具有交替的、各向同性的耦合 ， 如橙色箭头的不同阴影所示 。
②趋肤效应模型（图2B） ， 具有交替的、各向异性的耦合 ， 由不同大小的黑色箭头表示 ， 这种各向异性导致了非厄米性 。

研究：Science：光的“漏斗”
本文插图

图2弱耦合点的线性链(A)耦合强度为c1和c2 ， 每秒钟耦合 。 耦合强度的调制由下方橙色虚线表示 。 (B)耦合强度向左为c+δ ， 向右为c-δ ， 每秒钟耦合 。 各向异性的调制由下方绿色条纹的色带表示 。


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