在南加州大學(xué)的實(shí)驗(yàn)室中，Mercedeh Khajavikhan設(shè)計(jì)了會(huì)在運(yùn)輸光時(shí)改變其形狀的新結(jié)構(gòu)，這在光子學(xué)領(lǐng)域創(chuàng)造了突破性的結(jié)構(gòu)。該研究很重要，因?yàn)樗鼤?huì)影響日常生活中使用的許多事物，包括用于成像和傳感的激光器，用于高級(jí)通信的光纖電纜以及將處理能力提高到前幾代人夢(mèng)寐以求的水平的計(jì)算機(jī)芯片。

眾所周知，長(zhǎng)距離和短距離的相互作用在物理科學(xué)的許多不同領(lǐng)域中起著舉足輕重的作用。這種相互作用自然會(huì)在Rydberg原子和離子系統(tǒng)中顯現(xiàn)出來，并且在Bose-Hubbard模型中可以顯著地改變金屬-絕緣體的躍遷。在拓?fù)湮锢韺W(xué)領(lǐng)域中，已沿著幾種理論前沿積極地探索了在系統(tǒng)的復(fù)雜交換常數(shù)（Jij≠Jji）中引入不對(duì)稱性的可能性，以期揭示新穎的效果和行為。在這方面，已經(jīng)預(yù)測(cè)了許多有趣的拓?fù)洮F(xiàn)象，從量子異?；魻柡头呛彰滋仄つw效應(yīng)，到波多黎各-納爾遜模型中的安德森躍遷，以及在沒有自旋的情況下高斯辛合奏的出現(xiàn)。

Haldane在1988年提出了一個(gè)原型晶格，其中由于不對(duì)稱的遠(yuǎn)程交換相互作用而出現(xiàn)了拓?fù)湎?。這一主張為基于諸如自旋-軌道相互作用之類的拓?fù)浣^緣材料的發(fā)現(xiàn)開辟了一條道路。然而，盡管取得了一系列突破性的進(jìn)展，但直到今天，原始的霍爾丹晶格在固態(tài)物理學(xué)的背景下仍然是一種難以捉摸的晶體，并且尚未在實(shí)驗(yàn)室中合成。使該系統(tǒng)和其他相關(guān)拓?fù)淠Ｐ偷膶?shí)施具有挑戰(zhàn)性的是，難以在冷凝物中實(shí)現(xiàn)上述非對(duì)稱遠(yuǎn)程交換機(jī)制。探索可以支持這種類型交互的替代平臺(tái)顯然很有趣。

迄今為止，光子學(xué)已提供了一個(gè)多功能的試驗(yàn)臺(tái)，可通過人工規(guī)范場(chǎng)和合成維度來研究各種拓?fù)湫?yīng)。但是，當(dāng)前光子拓?fù)渚Ц裰械拇蠖鄶?shù)相互作用往往是最近鄰（NN）類型的并且是對(duì)稱的。理想的情況是，無論是對(duì)稱的/非對(duì)稱的還是短距離/長(zhǎng)距離的，只要有建立任意互連的自由，那將是有益的。

什么是光子學(xué)？

光子學(xué)是一個(gè)相對(duì)較新的科學(xué)領(lǐng)域，已有100多年的歷史了。一切都與光有關(guān)：新型激光，全息流，傳輸信息的光，投射光并在整個(gè)結(jié)構(gòu)中使用光的不同方法。關(guān)于在光學(xué)極限下改變結(jié)構(gòu)，所有事物都應(yīng)對(duì)稱。如果您超過了這一點(diǎn)，那么您將獲得新的機(jī)會(huì)來使光比標(biāo)準(zhǔn)激光器更有效地移動(dòng)。

什么是“有源光子系統(tǒng)”？

有源光子系統(tǒng)是用于操縱光的材料，它們對(duì)現(xiàn)代生活的重要性比人們意識(shí)到的重要。在醫(yī)療設(shè)備中，它們可能用于改善感測(cè)和數(shù)據(jù)收集。當(dāng)以半導(dǎo)體實(shí)現(xiàn)時(shí)，它們極大地提高了計(jì)算能力。它們?cè)趯?dǎo)航中起著重要作用，在該導(dǎo)航中，光子陀螺儀提供了改進(jìn)的GPS功能。甚至可以操縱光以進(jìn)行光學(xué)數(shù)據(jù)傳輸。實(shí)際上，某些新形式的扭曲光束可能會(huì)使我們目前的光纖速度完全過時(shí)。

在該研究中，研究人員展示了如何利用光學(xué)增益和非赫米特性來調(diào)整光子裝置中諧振元件之間的跳變遠(yuǎn)距離交換。我們通過實(shí)施在其拓?fù)銫hern體制中運(yùn)行的Haldane晶格來證明這種方法。正如我們將要顯示的那樣，這種晶格的拓?fù)涮卣鲀H僅是由于非厄米性和非線性而表現(xiàn)出來的。在這方面，我們展示了有源光子系統(tǒng)在設(shè)計(jì)一類由光學(xué)增益唯一實(shí)現(xiàn)的拓?fù)渚Ц裰械臐摿Α?/p>

▲圖1. Haldane晶體模型

a. Haldane晶格，其特征是兩個(gè)原子（A和B）以蜂窩狀排列。插圖顯示了晶胞。NN交換（黑色箭頭）是對(duì)稱的，而NNN跳躍（紅色和藍(lán)色箭頭）是不對(duì)稱的。b. 與霍爾丹模型相關(guān)的陳恩數(shù)體系。普通狀態(tài)的Chern數(shù)為C = 0，而拓?fù)錉顟B(tài)顯示的Chern數(shù)為C =±1。c. 瑣碎的（C = 0）域中的能帶結(jié)構(gòu)，其中M = 0.25，t2 = 0. d，拓?fù)洌– = +1）域中的能帶結(jié)構(gòu)，其中M = 0.25，t2 = 0.2

▲圖2. 二元素和三元素亞基的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

a. 兩元素系統(tǒng)的示意圖設(shè)計(jì)。兩個(gè)帶有S形彎曲的單向微環(huán)諧振器通過鏈路耦合。相位由鏈路的長(zhǎng)度確定。為了便于進(jìn)行干涉測(cè)量，對(duì)每個(gè)環(huán)中的場(chǎng)進(jìn)行采樣并發(fā)送到3 dB耦合器，每個(gè)輸出臂上都裝有一個(gè)光柵。b–d， =π/ 2（b）或 =π或2π（c）或 =3π/ 2（d）的強(qiáng)度分布的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。插圖顯示了輸出光柵處的光譜。當(dāng)達(dá)到所需相位（ =π或 =2π）時(shí)，光譜表明存在兩種激光模式。e,i, 用于子晶格A（e）和子晶格B（i）的三元素系統(tǒng)的示意圖設(shè)計(jì)。相位由鏈路L的長(zhǎng)度決定。在實(shí)驗(yàn)中，僅抽出三個(gè)諧振器之一。f–h，j–l，子晶格A（f–h）和B（ j–l）。

▲圖3. a, b, 帶或不帶三角微環(huán)諧振器內(nèi)部的電場(chǎng)的標(biāo)準(zhǔn)化大小 扇形耦合器。c. 具有耦合器和總線波導(dǎo)的諧振器的示意圖。d. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果 示出了基于帶有扇形耦合器的微環(huán)諧振器的激光器的單向性。

什么樣的公司對(duì)此研究感興趣？

光子學(xué)在眾多技術(shù)中都起著重要作用，因此您可以想象許多行業(yè)都對(duì)它感興趣。從通訊，運(yùn)輸和國防到娛樂，健康和制造業(yè)的一切。很難想象許多工程領(lǐng)域不能直接從光子學(xué)研究中受益。您能想到的任何行業(yè)都將直接受益于更小，更智能，更具可編程性的技術(shù)-光子學(xué)對(duì)此至關(guān)重要。

一個(gè)特別突出的領(lǐng)域是半導(dǎo)體制造。今天，美國目前把控著芯片，這將對(duì)我們的經(jīng)濟(jì)和安全產(chǎn)生重大影響。

▲Mercedeh Khajavikhan

本文來源：Yuzhou G. N. Liu et al. Gain-induced topological response via tailored long-range interactions, Nature Physics (2021).