2019年10月14日，国际物理学权威期刊《物理评论快报》（Phys. Rev. Lett. 123, 165701）以 “Breakup and recovery of topological zero modes in finite non-Hermitian optical lattices”为题发表了国内李涛教授、祝世宁院士团队最新研究成果，报道了在非厄米拓扑光子学领域取得的重要进展。他们通过在硅波导阵列中引入非厄米损耗调制实现了偏离的拓扑边界态零模得以恢复，并验证了其鲁棒性的传播特性。文章作为Editors’ Suggestion 亮点文章在PRL网站首页重点推荐。

研究背景

非厄米和拓扑是目前力学和凝聚态物理领域两个前沿的概念。近年来，具有非厄米哈密顿量的宇称时间（PT）对称系统受到人们越来越多的关注。其中，拓扑人工微结构中的边界态具有拓扑保护性质，使得光子系统在传播中具有稳健的行为。然而，当系统尺寸减小时，这些边界态倾向于发生耦合，一定程度上导致拓扑保护性质的减弱。例如，在一维的拓扑结构中，存在着一种位于带隙中间零能量点的边界态，通常被称为zero mode。它具有很好的空间局域性和拓扑保护特性。然而，在实际的有限体系当中，由于耦合效应的存在，zero mode可能偏离严格的零能态。由于zero mode的拓扑保护性质很大程度依赖于其零能值，所以对零能态的偏移将不可避免地削弱拓扑保护的性质。因此，在一个有限拓扑系统中阐明拓扑边界态之间的耦合特性，并加强其拓扑保护性质是该领域亟待解决的问题。

摘要

一维光学晶格中的拓扑边缘状态（TES）表现出了强大的场定位能力或对结构微扰的波导作用，这种结构微扰会引起容错光子集成。然而，由于这些边缘状态之间的耦合，zero mode作为一种TES通常会偏离有限的Hermitian晶格中的精确零能量状态，这不可避免地削弱了拓扑保护。在这里，我们首先在有限的Su-Schriffer-Heeger光学晶格中显示zero mode的这种破裂，然后通过引入宇称时间（PT）对称系统的非Hermitian退化来揭示它们的恢复。我们在有限的硅波导晶格中进行实验，其中通过仔细控制有损硅波导实现了无源宇称时间对称性。实验结果与理论预测完全吻合。我们的结果表明，可以通过非Hermitian晶格工程来调整开放系统的拓扑属性，这为增强有限系统中的拓扑保护提供了一条途径。

图文速览

图一  有限体系下通过非厄米调制实现零模的恢复

（a）非厄米PT对称的SSH模型；（b）能带和（c）边界态场分布随非厄米调制γ/c1 的演化；（d）准零模和严格零模演化图。

图二  理论和仿真结果

(a) 利用硅波导镀铬来实现非厄米光波导阵列；（b）理论计算的零模模式常数随非厄米调制的关系；（c, d）准零模以及通过非厄米调制实现的严格零模在硅波导阵列中的演化。

图三  实验结果

(a-c) 样品的SEM图；(d) 近红外相机拍下的整个结构的光场演化；实验中得到的准零模（e）和严格零模（f）的样品输出端强度分布图。

文章链接

https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.123.165701