激光网3月22日消息，拓扑光子学领域在过去十年中取得了显著进展，为研究光-物质相互作用和开发新型光学器件提供了强大的平台。然而，控制和调制拓扑相变的能力仍然是一个重大挑战，特别是在非欧几里得系统中。
非欧几里得系统是指不遵守熟悉的欧几里得几何规则的几何空间，欧几里得几何基于平面和直线。相反，这些系统可能涉及曲面或平行线可能收敛或发散的空间，从而引入了在平坦的欧几里得空间中不存在的行为的复杂性和丰富性。这种与欧几里得框架的背离为以传统光学系统无法实现的方式操纵光带来了独特的挑战和机遇。
现在，来自北京大学和北京理工大学的一组研究人员通过使用创新的莫比乌斯环配置演示非欧几里得光学系统中的自旋控制拓扑相变，取得了突破性的发现。
他们在Frontiers of Optoelectronics上报告了他们的发现。
拓扑光子学起源于拓扑绝缘体的研究，拓扑绝缘体是由于其拓扑结构而表现出独特电子特性的材料。这些材料具有绝缘内部，但在其表面导电，从而产生坚固且受保护的边缘状态。研究人员试图将这些原理转化为光子学领域，旨在创建具有相似拓扑特性的光学系统。
虽然在欧几里得几何中实现拓扑光子系统方面取得了重大进展，但对非欧几里得拓扑光子学的探索在很大程度上仍然是未知的领域。
非欧几里得拓扑光子学的关键挑战在于系统几何形状与其拓扑特性之间的复杂相互作用。传统的光学元件，如波导和谐振器，通常设计在曲率为零的欧几里得空间中。
然而，以非零曲率为特征的非欧几里得几何为系统行为带来了额外的复杂性和丰富性。莫比乌斯带是一个只有一面和一个边界的表面，是非欧几里得几何的一个典型例子，它吸引了科学家和数学家的想象力。
在他们的开创性工作中，由胡晓勇教授和龚启煌教授领导的研究团队利用莫比乌斯带的独特性质来证明非欧几里得光学系统中的自旋控制拓扑相变。关键的创新在于设计了一种新颖的莫比乌斯环配置，具有 8π 周期和 π/2 扭曲。这种配置利用了自旋锁相效应，当光沿着莫比乌斯环传播时，波导的横向电模式和横向磁模式相互转换。
a 周期为4π的正莫比乌斯环。b 8π周期莫比乌斯环。c 8π周期的莫比乌斯环，长/宽绝热演化。d 直波导中的长度/宽度绝热演化。e 具有扭曲操作的直波导中的长度/宽度绝热演化。f 光在 8π 周期的莫比乌斯环中穿过一圈。g 右端口(黑线)和左端口(红线虚线)8π周期莫比乌斯环的透射光谱，以及沿传播方向的相位分布。透射光谱是指可以通过端口传输的电场强度与入射电场强度的比值，以及随波长的变化。
要理解自旋锁定效应的重要性，请考虑一个简单的类比。想象一下，一个花样滑冰运动员在冰上旋转。正如溜冰者的旋转方向可以通过改变手臂的方向来控制一样，旋转锁定效应允许科学家通过操纵光在莫比乌斯环内的方向来控制光的行为。这使得对这些扭曲空间中光传播的控制达到了新的程度。
研究人员利用这些8π周期的莫比乌斯环构建了一维Su-Schrieffer-Heeger和二维耦合谐振器光波导配置。这些构型表现出一个非凡的特性：它们支持由特定手的圆偏振光激发的拓扑边缘状态，同时禁止由相反手的光激发拓扑模式。这种自旋依赖行为为控制和操纵光学系统中的拓扑状态开辟了新的可能性。
该团队进一步证明，通过控制入射光的圆偏振，可以方便地实现从拓扑边缘状态到体态的转变。在厄米特和非厄米特案例中都观察到了这种自旋控制的拓扑相变，突出了该方法的鲁棒性和多功能性。在非厄米特情况下，增益和损失被引入系统，为拓扑行为增加了一层额外的复杂性和丰富性。
这项工作的影响是深远的。通过利用非欧几里得莫比乌斯环构型中的自旋锁效应，研究人员现在可以探索拓扑光子学的新维度。利用光的自旋控制拓扑相变的能力为设计鲁棒的光学器件和研究非欧几里得几何中光-物质相互作用的基本方面开辟了令人兴奋的可能性。
例如，这一发现可以为更安全可靠的光通信系统铺平道路。通过对莫比乌斯环内拓扑边缘状态的信息进行编码，可以更强地传输数据，以抵御干扰和错误。这可能会彻底改变电信等行业，提高数据传输的速度和可靠性。
此外，在非欧几里得几何形状中控制光的能力可以激发光学传感器和成像设备的新设计。通过利用莫比乌斯环的独特特性，研究人员可以开发具有更高灵敏度和分辨率的传感器，从而在生物医学成像、环境监测和材料科学等领域实现突破。
胡，Gong及其同事的工作代表了拓扑光子学领域向前迈出的重要一步。通过弥合非欧几里得几何和拓扑物理学之间的差距，他们为光-物质相互作用的研究开辟了一个新的领域。利用光的自旋控制拓扑相变的能力不仅加深了我们对基本物理原理的理解，而且还为开发具有增强功能和鲁棒性的新型光学器件铺平了道路。
随着拓扑光子学领域的不断发展，非欧几里得几何和自旋控制相变的结合预计将发挥越来越重要的作用。胡，龚和他们的团队的工作就像一座灯塔，引导研究人员走向未开发的领域，并激发了新的研究途径。拓扑学和几何学在光子学中的结合有望在未来几年解锁大量的科学发现和技术进步。
在非欧几里得光学系统中展示自旋控制的拓扑相变标志着利用拓扑的力量进行光操纵和控制的一个重要里程碑。随着研究人员不断突破拓扑光子学的界限，胡，Gong及其同事的工作无疑将成为这一令人兴奋的领域未来探索和创新的基础。
