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薄膜铌酸锂的量子应用：物理学手性边界态
近日，华中科技大学陆培祥教授团队与武汉光电国家研究中心夏金松教授团队合作，在片上光子合成维度手性边界态研究取得重要进展，研究成果以“Reconfigurable chiral edge states in synthetic dimensions on an integrated photonic chip”为题发表在Physical Review Letters上。
文章链接：
https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.134.143801
手性边界态是拓扑物理的标志性特征，在量子力学，凝聚态物理，拓扑光学等多个领域中都有着非常重要的作用。目前，拓扑光子晶体、合成维度光子晶格等多个系统均已实现具有拓扑性质的手性边界态，但由于其所依靠的实空间光子结构通常比较复杂，且难以对其进行结构参数的调控，因此无法实现拓扑手性边界态的完全重构和灵活调控。
针对上述问题，该团队提出基于薄膜铌酸锂光子芯片构建合成维度实现可重构手性边界态的新思路。研究人员采用电光调制薄膜铌酸锂微环谐振腔制备合成频率晶格，并且通过巧妙引入环内顺时针和逆时针两个旋向模式之间的耦合，构筑基于频率-赝自旋的二维合成光子体系，如图1所示。在实验上，课题组采用两组方向相反的行波调制，分别对不同的赝自旋自由度频率晶格进行独立的调控，大大提高了系统的调控自由度。
图1.基于电光调制薄膜铌酸锂微环谐振腔构建合成频率-赝自旋二维光子体系原理图。
该团队通过在合成维度中引入可编程的光子规范势和耦合作用，在单个光子芯片上实现了多种新颖的、可动态重构的手性边界态。该项目拟在频率-赝自旋合成光子系统中，通过引入频率模的最近邻耦合和光子规范势，构造出具有对称称手性边界态的Hall梯子模型，如图2所示。但是，在一个赝自旋对应的频率模式之间引入长程耦合会使手性特征得到抑制，这源于系统能带折叠导致的非定向态演化。
图2. 合成Hall梯子中的手性边界态。
如图3所示，通过调节频率模式之间的耦合，并将长程耦合引入到一个赝自旋自由度中，从而构筑出由两个子Hall梯子和一个三角梯子组成的合成“异质界面”。在此基础上，由于结构对称性被破坏，所以呈现出一种非平衡态的手性边界特性。
图3. 合成“异质界面”的非平衡手性边界态。
如图4所示，通过在两个赝自旋自由度对应的频率模式间同时引入最近邻和次近邻耦合，可以构造出一系列“赝三维”Hall梯子模型。通过调控该系统中的光子规范势，可以实现包括手性、单自旋态增强以及完全抑制等特征在内的手性边界态的拓扑动态调控。
图4. 合成“赝三维”Hall梯子中的可重构手性边界态。
该项目拟在单个薄膜铌酸锂微环谐振腔光子芯片中构筑二维合成光子体系，并实现了可动态重构的手性边界态，从而突破实空间系统中手性边界态的重构与灵活调控的难题。该项目的实施将为在合成空间中实现手性拓扑边界态的模拟与调控提供一种全新的集成光学平台，并将其应用于光子学芯片中的高维拓扑物理问题的研究，在光通信、量子模拟、量子信息处理、光子神经计算等方面都有非常重要的应用价值。
薄膜铌酸锂的量子应用：物理学手性边界态
近日，华中科技大学陆培祥教授团队与武汉光电国家研究中心夏金松教授团队合作，在片上光子合成维度手性边界态研究取得重要进展，研究成果以“Reconfigurable chiral edge states in synthetic dimensions on an integrated photonic chip”为题发表在Physical Review Letters上。
文章链接：
https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.134.143801
手性边界态是拓扑物理的标志性特征，在量子力学，凝聚态物理，拓扑光学等多个领域中都有着非常重要的作用。目前，拓扑光子晶体、合成维度光子晶格等多个系统均已实现具有拓扑性质的手性边界态，但由于其所依靠的实空间光子结构通常比较复杂，且难以对其进行结构参数的调控，因此无法实现拓扑手性边界态的完全重构和灵活调控。
针对上述问题，该团队提出基于薄膜铌酸锂光子芯片构建合成维度实现可重构手性边界态的新思路。研究人员采用电光调制薄膜铌酸锂微环谐振腔制备合成频率晶格，并且通过巧妙引入环内顺时针和逆时针两个旋向模式之间的耦合，构筑基于频率-赝自旋的二维合成光子体系，如图1所示。在实验上，课题组采用两组方向相反的行波调制，分别对不同的赝自旋自由度频率晶格进行独立的调控，大大提高了系统的调控自由度。
图1.基于电光调制薄膜铌酸锂微环谐振腔构建合成频率-赝自旋二维光子体系原理图。
该团队通过在合成维度中引入可编程的光子规范势和耦合作用，在单个光子芯片上实现了多种新颖的、可动态重构的手性边界态。该项目拟在频率-赝自旋合成光子系统中，通过引入频率模的最近邻耦合和光子规范势，构造出具有对称称手性边界态的Hall梯子模型，如图2所示。但是，在一个赝自旋对应的频率模式之间引入长程耦合会使手性特征得到抑制，这源于系统能带折叠导致的非定向态演化。
图2. 合成Hall梯子中的手性边界态。
如图3所示，通过调节频率模式之间的耦合，并将长程耦合引入到一个赝自旋自由度中，从而构筑出由两个子Hall梯子和一个三角梯子组成的合成“异质界面”。在此基础上，由于结构对称性被破坏，所以呈现出一种非平衡态的手性边界特性。
图3. 合成“异质界面”的非平衡手性边界态。
如图4所示，通过在两个赝自旋自由度对应的频率模式间同时引入最近邻和次近邻耦合，可以构造出一系列“赝三维”Hall梯子模型。通过调控该系统中的光子规范势，可以实现包括手性、单自旋态增强以及完全抑制等特征在内的手性边界态的拓扑动态调控。
图4. 合成“赝三维”Hall梯子中的可重构手性边界态。
该项目拟在单个薄膜铌酸锂微环谐振腔光子芯片中构筑二维合成光子体系，并实现了可动态重构的手性边界态，从而突破实空间系统中手性边界态的重构与灵活调控的难题。该项目的实施将为在合成空间中实现手性拓扑边界态的模拟与调控提供一种全新的集成光学平台，并将其应用于光子学芯片中的高维拓扑物理问题的研究，在光通信、量子模拟、量子信息处理、光子神经计算等方面都有非常重要的应用价值。