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            南開大學在拓撲光子學領域取得重要進展

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              日前,南開大學陳志剛教授、許京軍教授課題組與克羅地亞Zagreb大學Hrvoje Buljan教授課題組的合作研究在拓撲光子學領域取得重要研究進展,首次實驗觀測並理論證明瞭贗自旋渦旋拓撲荷的轉換與狄拉克點拓撲特性相關,揭示瞭動量與實空間拓撲轉換的普適規律。該研究成果以“Universal momentum-to-real-space mapping of topological singularities”為題在線發表於國際權威期刊期刊《Nature Communications》(自然-通訊)。

              近年來,在凝聚態物理和材料物理中,材料的拓撲性質成為學界研究的熱點。量子霍爾效應和拓撲絕緣體等現象中所蘊含的拓撲物理吸引瞭眾多領域研究者的興趣,受拓撲保護的邊緣態也已經在凝聚態、光學和聲學等眾多量子和經典波動系統中實現。材料的拓撲性質是來自於動量空間的能帶結構,並且通常由拓撲不變量“陳數”來描述。狄拉克材料作為一種特殊拓撲材料,其拓撲特性來自於動量空間的拓撲奇點—稱為狄拉克點。光學中,渦旋光是實空間具有相位奇點的新穎空間結構光場,具有拓撲特性和軌道角動量,也是目前光學研究中的前沿熱點。探究這兩種不同空間拓撲結構之間的內稟關聯性對於深入理解不同領域的拓撲物理現象具有重要意義。

              此工作中,課題組以贗自旋為S=1/2 和贗自旋S=1的狄拉克光子晶格為平臺,實驗上利用贗自旋渦旋光激發狄拉克點附近的模式,實驗觀測和理論證明瞭贗自旋渦旋拓撲荷轉換的數目正好等於動量空間狄拉克點貝裡相位的繞數,該拓撲荷轉換過程由狄拉克點的拓撲特性決定。這些結果表明,可以通過實空間贗自旋渦旋光拓撲荷的轉換來測量狄拉克點的拓撲特性。此外,理論結果證明贗自旋渦旋拓撲荷的轉化規律不僅可以可推廣到任意整數或半整數的贗自旋體系,而且,對於具有三維動量空間的拓撲奇點,比如具有三維外爾點的體系也同樣適用。這證實瞭拓撲轉換從動量空間到實空間的映射規律的普適性。該工作不僅為深入理解拓撲物理現象提供瞭一個新的視角,而且對凝聚態物理、冷原子物理等其它領域中相關拓撲現象的研究具有重要借鑒意義。

            圖片說明:(a)贗自旋S=1/2的蜂巢型光子晶格(b)贗自旋S=1的Lieb 型光子晶格及(c)三維外爾體系中的拓撲奇點從動量空間到實空間的映射示意圖

              本研究南開大學為第一完成單位,南開大學博士生劉秀英、夏士齊和克羅地亞薩格勒佈大學博士生Ema Jajtić為共同第一作者。南開大學陳志剛教授、宋道紅副教授與克羅地亞薩格勒佈大學Hrvoje Buljan教授為共同通訊作者。相關工作得到國傢重點研發計劃項目、國傢自然科學基金項目等資助。

              據瞭解,該課題組先前已在狄拉克光子晶格中贗自旋及拓撲物理的研究中取得瞭系列重要進展,相關工作相繼發表在《Nature Materials》《Nature Communications》《Physical Review Letters》等高水平期刊上。