Floquet拓扑光子绝缘体研究进展(特邀)

拓扑光子学是光学领域一个重要的新兴研究方向,它的奇异光学响应特性颠覆了人们对光传播的理解,为人工操控光的传播提供了一种全新方法。Floquet拓扑光子绝缘体是拓扑光子学的一个重要分支,它利用周期性的驱动来探索物质的相变过程,发现了很多违反直觉的新奇物理现象。本文综述了近十年来Floquet拓扑光子绝缘体的主要研究进展。根据实现方式将其分为基于时间调制、基于空间调制、基于耦合谐振调制的三个大类进行详细论述。对于每一类Floquet拓扑光子绝缘体,从基础理论和物理实现平台两个方面论述了Floquet拓扑光子绝缘体的独特光学特性和奇异物理现象,并讨论了其潜在的应用前景。最后,总结了该领域当前面临的主要挑战,并对Floquet拓扑光子绝缘体的未来研究方向进行了展望。

拓扑绝缘体与函数型光子晶体分界面上的Goos-Hänchen位移调控

运用传输矩阵法和固定相位法研究拓扑绝缘体与SINC函数型光子晶体分界面上的Goos-Hänchen效应。结果表明,两种线极化波在分界面处的Goos-Hänchen位移随入射角、拓扑绝缘体的介电常数、函数光子晶体周期数不同而呈现不一样的规律。可以通过调节入射线极化波的入射角、改变函数光子晶体周期数或在表面涂覆不同的拓扑绝缘体来控制分界面上的Goos-Hänchen位移。

非互易拓扑光子学

拓扑光子学的提出与发展为从根本物理原理上解决传统光学器件易受干扰的问题提供了新思路,基于拓扑保护的新型鲁棒光场调控极大地提高了光学器件的传输效率和稳健性.其中,基于时间反演对称性破缺的非互易拓扑光子学及其手性拓扑态是拓扑光子学的重要分支,其拓扑特性由非零陈数或陈矢量表征,表现出超越互易拓扑光子学的严格拓扑保护鲁棒性.本综述将重点介绍非互易拓扑光子学在探索新奇物理现象(手性/反手性边界态、反常非互易拓扑边界态、三维光学陈绝缘体、磁性外尔光子晶体等)和构建非互易鲁棒拓扑光学器件(单向光波导、宽带慢光延迟线、任意形状拓扑激光器、大轨道角动量相干光源等)等方面取得的显著成果.最后对非互易拓扑光子学的发展现状、潜在挑战以及可能取得的突破进行了展望.

二维光子拓扑绝缘体研究进展

受凝聚态拓扑绝缘体研究的启发,整数量子霍尔效应、量子自旋霍尔效应、拓扑半金属、高阶拓扑绝缘体等拓扑物理相继在光学系统中实现。光子系统因能带干净,样品设计简单且制作精度高等优势,逐渐成为研究物理拓扑模型和新型拓扑效应的重要平台。拓扑光子学提供了全新的调控光场和操控光子的方法,其拓扑保护的边界态可实现光子对材料杂质缺陷免疫的传播,这种传统光子系统不具备的理想的传输态有望驱动新型光学集成器件的变革。本文将从二维光学体系出发,简要介绍几种典型的光拓扑绝缘体的最新进展,例如光整数量子霍尔效应、光量子自旋霍尔效应、光Floquet拓扑绝缘体、拓扑安德森绝缘体和高阶拓扑绝缘体。文中重点介绍了上述几种光拓扑绝缘体的拓扑模型及其新型的拓扑现象,并在最后展望了新型光学拓扑效应及其在光学器件中的应用前景。

光子拓扑绝缘体:超快激光直写加工与应用(特邀)

超快激光直写技术可以高精度加工任意三维波导结构,从而实现新型拓扑模型以及集成化的拓扑光子器件。通过经典的拓扑结构(如一维二元复式晶格、非对角Aubry-André-Harper晶格、蜂窝晶格),阐述拓扑光学的基本原理和现象(如Thouless泵浦,手性边缘态、局域态与拓扑不变量之间的关系),介绍最新的拓扑光子学进展与应用(如高阶拓扑绝缘体、Floquet拓扑绝缘体、非厄米拓扑、非线性拓扑,以及量子拓扑保护),重点综述在超快激光直写平台下实现的拓扑现象与应用。

拓扑光子学研究进展

受凝聚态中拓扑相和拓扑相变概念的启发,一种基于拓扑能带论的新的研究领域--拓扑光子学正在兴起,它突破了传统基于实空间光场叠加原理和倒空间固体能带色散理论的光场调控思想,提供了一种新颖的光场调控机制和丰富的输运和光操控性质.例如,背散射抑制且缺陷免疫的边界输运特性、自旋轨道依赖的选择传输特性、高维度的光场调控等.本文将从拓扑光子体系的维度出发,简要介绍不同维度中的拓扑模型、新奇物理现象以及相应的物理图像,如SSH模型、光量子霍尔效应、光量子自旋霍尔效应、Floquet拓扑绝缘体、三维拓扑绝缘体等;结合当前的研究热点,对光子学领域的其他先进拓扑平台也进行了简要的讨论,如高阶拓扑系统、非厄米拓扑系统、非线性拓扑系统等;本文的最后,对相关领域的发展现状、优势与挑战进行了相应的总结与展望.

拓扑光子晶体与超构光子学(特邀)

拓扑光子学逐步成为重要的物理光学原理和方法,其光场调控的新颖方式引起了人们极大的兴趣。近年来人们借助拓扑光子学理论,采用光子晶体、超构表面等一类人工亚波长光学超结构,提出并实现了微波波段或光波段的宽带单向传输、抗散射传输等新奇光学现象。根据拓扑光子学的发展历程,简要回顾了基于类量子霍尔、类量子自旋霍尔、类量子能谷霍尔等类量子效应光子晶体的拓扑物理特性和设计方法。进一步,分析了拓扑光子晶体在微纳集成光子与光量子器件方面的潜在应用。未来,随着人们对超结构的物理原理、光电设计、制备工艺、封装测试等研究的不断深入,超构光子学将成为新一代信息技术领域的重要组成部分,并有望在硅光电子学、集成电路、微光学技术、显微成像、光量子计算、量子精密测量等基础与应用领域,产生积极深远的影响。

Floquet规范转变诱导拓扑π模产生的理论分析

拓扑绝缘体是一类内部绝缘而在表面可以导电的物态,其倒空间的能带具有非平庸的拓扑特性,而在其实空间的边界上具有可以单向传播的边界态。这种拓扑界面态出现往往依赖于界面处的拓扑相变。而最近有研究在一类Floquet的拓扑体系中实验观测到一种规范场相变诱导产生的拓扑π模,这种拓扑态的产生可能不依赖于拓扑相变。本文对于这种规范场诱导的拓扑π模的产生机理做出了理论解释。两个Floquet规范相反的体系的哈密顿量由于规范相变而具有相反的π能隙质量项,类似于Jackiw-Rebbi模型,从而导致拓扑界面态的出现。本文的研究为规范场相变诱导拓扑模式的产生提供了理论基础,并加深了人们对于Floquet规范场的理解。

一维光子晶体下拓扑绝缘体缺陷的研究

拓扑绝缘体(TI)是近年来广受关注的一种新型材料,其表面的拓扑磁电效应是其拓扑性质的反应。我们在TI平板上下表面镀上很薄的铁磁层并同方向磁化,然后将其夹在一维光子晶体中作为缺陷来研究时,发现TI材料表面的磁电耦合效应引起透射谱上一些新奇的变化。例如,当垂直入射一束线偏振光时,与一般的"单个透射率为1"的缺陷态共振峰不同,这时会出现"两个透射率为0.5"的缺陷态共振峰,并且两个透射峰频率处的透射光是圆偏振态,同时,我们还可以通过调节光子晶体的相关参数来调节这两个透射峰(双峰)的距离。反过来,我们可以通过这些新颖的变化来研究TI材料的表面性质,以及对精细结构常数进行精确测量。

拓扑绝缘体与Sinc函数型光子晶体分界面处Kerr效应和Faraday效应研究

应用传输矩阵法和等效介质理论,研究了拓扑绝缘体与Sinc函数型光子晶体分界面上的Kerr效应和Faraday效应,结果显示,在某些频率处,两种线极化波的反射波极化平面都可能会发生近似± π2的旋转,其附近周期结构的等效介电常数也有突变。进一步研究还发现,透射波极化面的旋转角随频率的变化规律与周期结构(BAB)n等效磁导率随频率的变化规律类似。以上结果都说明,在拓扑绝缘体与函数型光子晶体分界面上的Kerr效应和Faraday效应与入射波频率、周期结构的介电常数和磁导率等关系紧密。

电路QED晶格及光力阵列系统中光子拓扑绝缘体研究进展

拓扑绝缘体是一种新的量子物质态.与传统绝缘体类似,拓扑绝缘体也具有体能隙以及绝缘的体态.不同之处在于,拓扑绝缘体的表面或边界处存在导电的边界态.这些特殊的边界态受拓扑保护,因此对局域的无序和微扰免疫.这些特性使得拓扑绝缘体在量子信息处理和量子计算等方面有着重要的潜在应用.基于此,本文对拓扑绝缘体的发展进行大致梳理,并且对电路QED晶格以及光力阵列系统中光子拓扑绝缘体的最新研究进展进行概括和总结.

光波导阵列中拓扑态及其应用的研究进展

近年来,在拓扑绝缘体理论体系的支撑下,拓扑光子学因具有独特的光场调控能力而引起了广泛关注,并发展出具有拓扑特性的拓扑光子器件.基于不同光学平台的拓扑光子器件具有高集成度、抗扰动、抗无序影响等优点,在光传感、光通信、光量子计算方面有广泛的应用前景.其中光波导阵列由于制备简单、结构精细,且结构的拓扑特性能通过光动力学可视化,是研究拓扑光子学的理想平台之一.本文主要以拓扑光子学理论为基础,对光波导阵列中不同维度的拓扑光子学模型及其实验进展进行回顾与总结,并对拓扑光波导阵列器件制备的难点、发展趋势等进行展望.

基于静电相互作用模型的光子晶体拓扑相变

对于由完美电导体圆柱构成的蜂窝晶格光子晶体,类比静电相互作用,提出一种可计算晶格内与晶格间耦合强度的数学模型,通过对比晶格内耦合和晶格间耦合,在结构层面解释了量子自旋霍尔效应。计算结果表明,随着圆柱半径的增加,晶格内与晶格间耦合强度发生变化,即引发拓扑相变。数值模拟结果证实转变位置两侧的光子晶体能带结构发生了拓扑反转,在不同拓扑相的光子晶体界面存在单向传播的拓扑光波导。所提出的数学模型可以用于预测光/声拓扑绝缘体的拓扑相变,为后续的元器件开发提供参考。

光调控的Shastry-Sutherland格子上电子的体态-边缘态对应

在Shastry-Sutherland格子上运动的电子具有丰富的性质。利用Floquet方法证明在上述系统中高频圆偏振光产生包括Dirac fermion,semi-Dirac fermion,quadratic band touch,SO(3) fermion和具有能隙的多种物相。在考虑自旋轨道耦合作用后,发现4种无能隙激发的相之间是拓扑等价的。通过计算纳米带的边缘态,按照体态-边缘态对应原则,发现这4种无能隙激发相在打开能隙之后都变成拓扑绝缘体。此外,还发现semi-Dirac fermion体态的各向异性色散关系和沿不同方向裁剪的纳米带边缘态之间也同样存在体态-边缘态对应。

狄拉克光子晶体在面发射激光器中的应用

光子晶体由于具有可设计、可调谐以及对光的超常调控等优异性能,近年已成为重要的光学拓扑态研究平台。狄拉克(Dirac)锥型线性色散的奇异特性可实现丰富的物理现象,诸如Dirac振荡、拓扑边缘态、零折射率等,更是凝聚态拓扑现象的物理根源。本文重点对近年Dirac光子晶体在面发射激光器中的应用进行了详细介绍,指出将Dirac光子晶体引入到半导体激光器中,可实现大面积超低阈值、高亮度、单纵模和单横模的拓扑腔面发射激光器(topological cavity surface emitting lasers,TCSELs),同时对基于Dirac光子晶体原理发展出的TCSELs进行了总结与展望。

拓扑光电的3项实际应用

自2007年拓扑绝缘体首次问世以来,这种内部绝缘、外部导电的新型材料就在光子学领域展现出了巨大的潜力,激发了研究人员的兴趣。然而,一种相关但性质更加难解的材料一一拓扑光电一一可能会首先取得实际应用。