上海理工等科研团队首次在光子体系中实现Floquet π模

近日，上海理工大学光电学院庄松林院士光学团队青年教师程庆庆博士联合以色列特拉维夫大学Avi Gover教授，南京大学祝世宁院士、李涛教授、张海军教授，和复旦大学周磊教授，借助周期性时间驱动等效的弯曲波导阵列，在国际上率先发现Floquet π模，成果发表在物理学顶级刊物Physical Review Letters。《Physical Review Letters》是美国物理学会(American Physical Society)于1958年创办的物理学综合性期刊，属于物理学公认的顶级刊物，以发表重要的物理学原创研究成果，2018年度该期刊影响因子为8.839。

拓扑光子学是光学前沿研究中的一个新兴分支。近些年来，基于波导阵列的拓扑光子学研究在国际上受到了极大的关注。波导阵列的描述方程即耦合模方程与薛定谔方程在形式上具有等价性，建立了波导阵列中的光场传播(z)与波函数的含时演化ψ(t)之间的关系。2015年首次提出以波导类比碳原子，搭建聚乙炔链拓扑模型的波导阵列，揭示了波导阵列中拓扑和非拓扑的两种光子模式的新颖传播行为，开辟了波导阵列量子模拟的新平台。在上述的静态波导阵列中，传播方向z类比时间t，使得基于周期性弯曲的波导阵列可以开展对时间驱动Floquet拓扑绝缘体的研究。本论文对驱动周期的大小开展了详细的研究，揭示了(1)在高频驱动的周期性弯曲波导阵列中，其中的光场传播行为与静态均匀波导阵列中的行为等价，见图一(a)和(b)；(2)在特定的驱动周期的弯曲波导阵列中，存在一类特殊的区别于静态拓扑模式的拓扑模，即Floquet π模，见图一(c)和(d)。理论上，发展了弯曲波导阵列的Floquet哈密顿量，分析其准能带并预测出与实验上Floquet π模存在的驱动频率相吻合的区间。下一步，团队将波导阵列中拓扑效应的研究(图二)向半导体CMOS工艺结合，发展人工智能纳米光子芯片，开展光通讯和光计算上的应用开发研究。

 

图一.(a) 高频驱动的周期性弯曲波导阵列与光场演化；(b) 均匀静态的波导阵列与光场演化；(c) Floquet波导阵列与光场演化；(d) 静态拓扑波导阵列与光场演化。

 

图二.实验测试样品。

本工作受到了国家自然科学项目、上海市自然基金项目、上海市教委等项目支持。

文章链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.122.173901