山西大学在拓扑物态领域取得重要进展

近日，山西大学激光光谱研究所贾锁堂教授、梅锋教授带领的研究团队在拓扑物态研究方面取得了重要进展。相关研究成果“Observation of higher-order time-dislocation topological modes”于2月28日发表在Nature Communications。博士生张佳辉为论文第一作者，梅锋教授和新加坡国立大学Ching-Hua Lee教授为论文共同通讯作者，博士生李一参与了该研究，贾锁堂教授、肖连团教授和马杰教授提供了重要指导。

拓扑物态是一种与拓扑学相联系的全新量子物态，对系统内部涨落和外部扰动具有天然的拓扑保护鲁棒性，在材料科学、量子信息和量子精密测量领域有着非常重要的应用价值。拓扑边界态是拓扑物态的最重要特征之一，通常出现在拓扑非平庸体系的边界、缺陷或界面处。近年来，空间位错缺陷与动量空间拓扑相互作用所诱导的拓扑位错模式在国际上吸引了广泛关注。

与此同时，在材料科学领域，近年来涌现出一个极具前瞻性的研究方向-时间依赖超材料。这类材料内部存在时间依赖性或时间界面，展现出超越传统空间变化超材料的新颖物性，例如：时间晶体、时间超表面、时间界面上的电磁波反射和折射效应。受此启发，我们提出了一个关键科学问题：在时间-空间维度上，是否存在由时间位错诱导的新奇拓扑物理现象？特别是，时间界面上是否能够支持拓扑边界态的存在？

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图1. 空间位错和时间位错拓扑物态。(a)空间位错：引入空间缺陷打破空间平移不变性；（b）时间位错：引入时间位移或扰动打破时间平移不变性。我们发现：时间位错可以诱导出时间界面上的弗洛凯(c)拓扑边界态(d)和拓扑角态。具体示例：周期性驱动体系中时间界面上的弗洛凯角态(e)理论和（f）实验结果。

研究团队在周期性驱动含时体系中，通过在不同空间区域引入时间位移，成功构建了时间位错拓扑晶格。研究发现：时间位错能够诱导出具有拓扑保护特性的边界态和角态；尽管整个晶格的耦合在空间上呈现均匀分布，但在体系内部的时间界面处却出现了局域化的拓扑边界态。发展了用于刻画时间位错拓扑物态的拓扑不变量，证明了时间位错拓扑边界态的拓扑保护特性。实验上制备了时间位错拓扑电路超材料，观测到由时间位错引起的Pi能弗洛凯拓扑角态。这一研究将拓扑边界态的研究范畴从传统的空间维度拓展至时间维度，为探索新奇拓扑物态及其量子调控提供了全新的自由度。

该研究得到科技部重点研发计划、国家自然科学基金重点项目、山西省“1331”工程重点学科建设基金、山西省杰出青年基金项目、光量子技术与器件全国重点实验室以及省部共建极端光学协同创新中心的支持。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-56717-w