2019年10月14日，國際物理學權威期刊《物理評論快報》（Phys. Rev. Lett. 123, 165701）以“Breakup and recovery of topological zero modes in finite non-Hermitian optical lattices”為題發表了現工院李濤教授、祝世寧院士團隊最新研究成果，報道他們了在非厄米拓撲光子學領域取得的重要進展。該團隊通過在硅波導陣列中引入非厄米損耗調製實現了偏離的拓撲邊界態零模得以恢復，並驗證了其魯棒性的傳播特性。文章作為Editors’Suggestion亮點文章在PRL網站首頁重點推薦。現代工程與應用科學學院16級直博生宋萬鴿為該論文的第一作者，李濤教授為論文的通訊作者。哈爾濱工業大學（深圳）的肖淑敏教授、宋清海教授共同參與了該課題的研究。哈爾濱工業大學（深圳）的博士生孫文釗，我校現代工程與應用科學學院16級直博生陳晨對本文亦有重要貢獻。
非厄米和拓撲是目前量子力學和凝聚態物理領域兩個前沿的概念。近年來，具有非厄米哈密頓量的宇稱時間（PT）對稱系統受到人們越來越多的關注。其中，通過增益和損耗的調製光學系統已經成為研究PT對稱性的重要平臺，PT對稱性的引入也為新穎光子態的調控提供了豐富的手段。另一方面，拓撲人工微結構中的邊界態具有拓撲保護性質，使得光子系統在傳播中具有穩健的行為，這為未來的具有魯棒性的光子芯片帶來了希望。然而，當系統尺寸減小時，這些邊界態傾向於發生耦合，這會一定程度上導致拓撲保護性質的減弱。例如，在一維的拓撲結構中，存在著一種位於帶隙中間零能量點的邊界態，通常被稱為零模（zero mode）。它具有很好的空間局域性和拓撲保護特性。然而，在實際的有限體系當中，由於耦合效應的存在，零模可能偏離嚴格的零能態。由於零模的拓撲保護性質很大程度依賴於其零能值，所以對零能態的偏移將不可避免地削弱拓撲保護的性質。因此，在一個有限拓撲系統中闡明拓撲邊界態之間的耦合特性，並加強其拓撲保護性質是該領域亟待解決的問題。
該研究證明了一維拓撲波導晶格中由於有限系統耦合而引起的零模的偏移，並提出了通過引入具有PT對稱性的非厄米簡併來恢復到嚴格零模的解決方案。工作首先通過Su-Schriffer-Heeger (SSH)模型構造光波導陣列，理論上分析了有限尺度的厄米體系下由於邊界態耦合導致零模劈裂的效應，進而通過在SSH體系中引入非厄米調製（增益和損耗），實現了從準零模到嚴格零模的恢復。論文詳細闡述了從該體系中準零模到嚴格零模的轉變過程中模式常數，模式分佈和邊界態等的演化規律，建立起堅實的理論框架，然後進行了基於硅波導的詳細的模擬和實驗驗證[圖2和圖3]，並對厄米和非厄米情況進行了明確的比較，實驗結果與理論預測非常一致。理論和實驗都表明，通過非厄米調製得到的嚴格零模較之厄米體系下的準零模在引入結構偏差和無序時表現出更好的傳播魯棒性。該研究加深了人們對拓撲邊界態耦合特性的理解，具有普遍的科學意義。該工作表明利用非厄米參數調節可以實現對光子拓撲態性質的靈活調控，這為進一步深入研究拓撲和PT的關聯性提供了理論基礎。考慮到許多實際的拓撲系統都具有有限的尺寸，因此該文的方案同時具有很強的現實意義和潛在的應用價值。
該項研究得到了科技部國家重點研發計劃、國家自然科學基金委、南京大學登峰人才計劃等項目的支持。
（來源：南京大學現代工程與應用科學學院 科學技術處）
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