光子学新结构可影响用于成像和传感的激光器

江苏激光联盟导读：

在南加州大学的实验室中，Mercedeh Khajavikhan设计了会在运输光时改变其形状的新结构，这在光子学领域创造了突破性的结构。该研究很重要，因为它会影响日常生活中使用的许多事物，包括用于成像和传感的激光器，用于高级通信的光纤电缆以及将处理能力提高到前几代人梦寐以求的水平的计算机芯片。

众所周知，长距离和短距离的相互作用在物理科学的许多不同领域中起着举足轻重的作用。这种相互作用自然会在Rydberg原子和离子系统中显现出来，并且在Bose-Hubbard模型中可以显著地改变金属-绝缘体的跃迁。在拓扑物理学领域中，已沿着几种理论前沿积极地探索了在系统的复杂交换常数（Jij≠Jji）中引入不对称性的可能性，以期揭示新颖的效果和行为。在这方面，已经预测了许多有趣的拓扑现象，从量子异常霍尔和非赫米特皮肤效应，到波多黎各-纳尔逊模型中的安德森跃迁，以及在没有自旋的情况下高斯辛合奏的出现。

Haldane在1988年提出了一个原型晶格，其中由于不对称的远程交换相互作用而出现了拓扑相。这一主张为基于诸如自旋-轨道相互作用之类的拓扑绝缘材料的发现开辟了一条道路。然而，尽管取得了一系列突破性的进展，但直到今天，原始的霍尔丹晶格在固态物理学的背景下仍然是一种难以捉摸的晶体，并且尚未在实验室中合成。使该系统和其他相关拓扑模型的实施具有挑战性的是，难以在冷凝物中实现上述非对称远程交换机制。探索可以支持这种类型交互的替代平台显然很有趣。

迄今为止，光子学已提供了一个多功能的试验台，可通过人工规范场和合成维度来研究各种拓扑效应。但是，当前光子拓扑晶格中的大多数相互作用往往是最近邻（NN）类型的并且是对称的。理想的情况是，无论是对称的/非对称的还是短距离/长距离的，只要有建立任意互连的自由，那将是有益的。

什么是光子学？

光子学是一个相对较新的科学领域，已有100多年的历史了。一切都与光有关：新型激光，全息流，传输信息的光，投射光并在整个结构中使用光的不同方法。关于在光学极限下改变结构，所有事物都应对称。如果您超过了这一点，那么您将获得新的机会来使光比标准激光器更有效地移动。

什么是“有源光子系统”？

有源光子系统是用于操纵光的材料，它们对现代生活的重要性比人们意识到的重要。在医疗设备中，它们可能用于改善感测和数据收集。当以半导体实现时，它们极大地提高了计算能力。它们在导航中起着重要作用，在该导航中，光子陀螺仪提供了改进的GPS功能。甚至可以操纵光以进行光学数据传输。实际上，某些新形式的扭曲光束可能会使我们目前的光纤速度完全过时。

在该研究中，研究人员展示了如何利用光学增益和非赫米特性来调整光子装置中谐振元件之间的跳变远距离交换。我们通过实施在其拓扑Chern体制中运行的Haldane晶格来证明这种方法。正如我们将要显示的那样，这种晶格的拓扑特征仅仅是由于非厄米性和非线性而表现出来的。在这方面，我们展示了有源光子系统在设计一类由光学增益唯一实现的拓扑晶格中的潜力。

▲图1. Haldane晶体模型

a. Haldane晶格，其特征是两个原子（A和B）以蜂窝状排列。插图显示了晶胞。NN交换（黑色箭头）是对称的，而NNN跳跃（红色和蓝色箭头）是不对称的。b. 与霍尔丹模型相关的陈恩数体系。普通状态的Chern数为C = 0，而拓扑状态显示的Chern数为C =±1。c. 琐碎的（C = 0）域中的能带结构，其中M = 0.25，t2 = 0. d，拓扑（C = +1）域中的能带结构，其中M = 0.25，t2 = 0.2

▲图2. 二元素和三元素亚基的实验结果

a. 两元素系统的示意图设计。两个带有S形弯曲的单向微环谐振器通过链路耦合。相位ϕ由链路的长度确定。为了便于进行干涉测量，对每个环中的场进行采样并发送到3 dB耦合器，每个输出臂上都装有一个光栅。b–d，ϕ =π/ 2（b）或ϕ =π或2π（c）或ϕ =3π/ 2（d）的强度分布的实验结果。插图显示了输出光栅处的光谱。当达到所需相位（ϕ =π或ϕ =2π）时，光谱表明存在两种激光模式。e,i, 用于子晶格A（e）和子晶格B（i）的三元素系统的示意图设计。相位ϕ由链路L的长度决定。在实验中，仅抽出三个谐振器之一。f–h，j–l，子晶格A（f–h）和B（ j–l）。

▲图3. a, b, 带或不带三角微环谐振器内部的电场的标准化大小 扇形耦合器。c. 具有耦合器和总线波导的谐振器的示意图。d. 实验结果 示出了基于带有扇形耦合器的微环谐振器的激光器的单向性。

什么样的公司对此研究感兴趣？

光子学在众多技术中都起着重要作用，因此您可以想象许多行业都对它感兴趣。从通讯，运输和国防到娱乐，健康和制造业的一切。很难想象许多工程领域不能直接从光子学研究中受益。您能想到的任何行业都将直接受益于更小，更智能，更具可编程性的技术-光子学对此至关重要。

一个特别突出的领域是半导体制造。今天，美国目前把控着芯片，这将对我们的经济和安全产生重大影响。

▲Mercedeh Khajavikhan

本文为江苏省激光产业技术创新战略联盟原创作品，如需转载请标明来源，谢谢合作支持！原文以”Gain-induced topological response via tailored long-range interactions“发表在Nature Physics上。