Science：光的“漏斗”

图1：光漏斗捕获光信号示意图

撰稿 | 李迪

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导读

维尔茨堡大学与罗斯托克大学的物理学家合作开发了一种光漏斗装置。

罗斯托克大学AlexanderSzameit教授领导的研究小组利用“非厄米趋肤效应”的物理机制，可以将10公里长的光纤中的光信号聚焦在一个特定的点上，实现了“光漏斗”。它可以作为超敏光学探测器的新平台。

Ronny Thomale教授在维尔茨堡的Julius-Maximilian大学担任理论凝聚态物理的教授，发现和理论描述物质的新量子态是他的主要研究领域之一。

他说：“在理论物理学家的实践中，为一种新的物理现象发展一种理论，然后寻找新的实验来激发这种效应，是最激动人心的时刻之一。”

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研究背景

拓扑物质已经成为当代物理学研究中最活跃的领域之一。

拓扑一词来源于古希腊语，意为“学习”和“地方”，是一门以数学为主的学科，现在已广泛扩展到物理学，包括光学。

拓扑材料与其他合成物质一起，形成了更广阔的研究方向——拓扑超材料。

物理学家们并不满足自然界提供的物质和化学成分，开发了由人工定制的自由度组成的合成晶体。

Thomale和Szameit开发的“光漏斗”，选择的就是一种拓扑光纤，光沿着光纤传导，同时允许进行详细的空间分辨操作。

实验中在处理周期系统时，经常近似为“无限扩展”，因为边界处微小变化不会引起系统的明显偏差，一个著名例子是厄米Su Schrieffer Heeger (SSH)模型中的拓扑边界模式。

然而，最近有人提出，当某些系统中的非厄米性不是增益和损耗导致的，而是由于在各向异性的晶格中，一个界面的存在导致所有的本征模态在这个界面上局域化，这一现象被称为“非厄米趋肤效应”。

这一效应引起了在非厄米拓扑系统中关于体边界对应(BBC)有效性的激烈争论，BBC是拓扑物理的一个重要概念，要求体与边界共存，体的量可以用来预测边界的性质。

研究小组通过控制各向异性的耦合来实现一个非厄米光子晶格。界面的出现导致整个本征模态光谱完全崩溃，界面上所有模态呈指数局域化。

因此，晶格内的任何光场，无论其形状和输入位置如何，都向这个界面运动，被称为“非厄米趋肤效应”的拓扑现象。

基于这一现象，研究小组展示了一个高效的光漏斗，可以将10公里长的光纤中的光信号聚焦在一个特定的点上，并且可以应用于高灵敏度光学探测器。

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创新研究

3.1聚焦10公里长光纤中的光信号

研究小组实现了一种被称为“光漏斗”的效应：依据“非厄米趋肤效应”，一根10公里长的光纤中的光信号能够在导线中一个特定的点上进行聚焦。

具体做法为：通过控制光纤环路中的各向异性耦合，将晶格与各向异性的不同方向连接，产生光的漏斗效应，该效应依赖于各向异性耦合所引起的非厄米趋肤效应及其非平凡拓扑特性。

这一工作使人们能够理解物质拓扑状态框架下的趋肤效应。

研究小组比较了两种模式：

①厄米 SSH模型（图2A），由具有交替耦合常数的近邻耦合晶格点链组成，具有交替的、各向同性的耦合，如橙色箭头的不同阴影所示。

②趋肤效应模型（图2B），具有交替的、各向异性的耦合，由不同大小的黑色箭头表示，这种各向异性导致了非厄米性。

图2弱耦合点的线性链(A)耦合强度为c1和c2，每秒钟耦合。耦合强度的调制由下方橙色虚线表示。(B)耦合强度向左为c+δ，向右为c-δ，每秒钟耦合。各向异性的调制由下方绿色条纹的色带表示。

3.2拓扑态研究

①SSH模型中，在晶格中引入一个界面，通过在某个位置上反转c1/c2的比值(图3A)，只有一种模式在界面上局域化（拓扑态），此即拓扑式SSH模型。

而其他所有的模式都是非局域化的，也就是说，在远离界面的地方，各点模式的振幅基本保持不变(图3B)。

②趋肤效应模型中，在各向异性的非厄米晶格中引入界面：通过在某一位置改变各向异性的方向而形成界面（图3C）。

整个本征模态光谱坍塌，所有本征模态在界面上呈指数局域化(图3D)。

体模态转化为边界模态，与边界模态相比，体模态概念变得无效，此时BBC不再适用，与SSH模型形成了鲜明的对比。

非厄米晶格中本征模式的局域化进一步表明：无论晶格在哪里被激发，每个光信号都向界面移动。在光子学的背景下，这意味着任何光信号撞击晶格都被引导到界面并在那里被收集。

这一现象为非厄米光漏斗的实现提供了基础，也可以应用于其他更有趣的应用。

图3 界面上系统的本征模态。(A)界面由两个具有SSH调制的晶格构成(对应图2A)，反转色带表示反转耦合比。(B) 根据(A)中界面上的系统本征模态，绘制了一个120晶格点的晶格。(C) 两种晶格各向异性的调制形成一个界面（对应图2B），反向色带表明各向异性。(D) 根据(C)中界面上的系统本征模态，绘出了一个具有120个晶格点的晶格。（使用周期边界条件计算这两种光谱）

3.3实验测量

研究小组使用厄米SSH模型(图4A)，橙色箭头的深浅表示耦合强度。为了表征晶格中的输运，在三个不同的位置进行激励：界面左侧(图4C)，界面(图4D)，界面右侧(图4E)。

结果表明：任何位置的激励都会产生扩展模态，导致波包的扩展。

与图3B所示晶格的本征模态光谱一致，只有一个局域(拓扑)模态存在于界面上，而其他所有的模态都保持非局域化并散布在整个晶格上。

但是，在非厄米情况下，情况就不同了。为了在实验上实现非厄米效应模型，研究小组根据跃迁方向引入放大或衰减来实现各向异性耦合，分别用绿色的正负号表示(图4A)。

当探测非厄米晶格时，可以观察到传播动力学的一个重要变化：由于所有的本征模态都局限在界面上，当从界面左侧(图4F)、在界面处(图4G)和从界面右侧(图4H)激励时，任何位置的激励都会导致光流向界面，此即非厄米趋肤效应的表现。

界面的存在迫使本征模式在界面处坍缩，在晶格的大部分中不存在非局域化模式（拓扑态）。因此，晶格中任何地方的光激励都表现出类似于漏斗的行为，使得光只沿着界面局域化，因此形成“拓扑光漏斗”。

图4 实验装置和测量。(A) 橙色的深浅表示不同的耦合强度，绿色的正负号表示不同的振幅调制。（实验中，不同时使用耦合调制(SSH)和振幅调制(趋肤效应)。）(B) 实验装置由两个光纤环路组成，一个光纤环路由可变分束器(VBS)连接，另一个回路连接到一个脉冲激光源。声光调制器(AOM)和相位调制器(PM)分别控制脉冲的振幅和相位。(C-E) 以三种不同的激励方式(界面左侧、基面、界面右侧)，通过SSH调制的光子晶格传播。(F-H)以三种不同的激励方式(界面左侧、基面、界面右侧)，通过各向异性调制的光子晶格传播。

04

应用：高灵敏度光学探测器

光漏斗实现的光积累是提高光学探测器灵敏度的基础，可以实现前所未有的光学应用。

利用各向异性耦合和非互易性的非厄米现象这一原理，应用于例如光捕获和增强光学灵敏度，可以使光测仪的敏感度显著提高，获得高灵敏度光学探测器。

光漏斗仅仅是个开始，这一概念将在研究拓扑光子学领域产生的许多新思想及其潜在的技术应用。

另一方面，研究小组的实验方法并不局限于特定的实验平台，而且只基于光的波动性，因此它也可以适用于不同实验环境的其他研究领域，以探索更多有趣的应用。

“光漏斗”这一研究成果以“ Topological funneling of light ”为题发表在《 Science 》上。

本文授权转载于“中国光学”

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