北京大学在拓扑光子学领域取得重大进展

贝里曲率（Berry curvature）是量子力学中描述几何相位演化的关键物理量。非平凡贝里曲率可引发量子霍尔效应、反常霍尔效应等拓扑现象，在电子、光子等体系的拓扑研究中起着关键作用。然而，贝利曲率与能带结构本身的拓扑性质有关，往往被封闭在体系内部，难以直接观测。近日，北京大学的彭超、尹雪帆研究团队与合作者在Nature Communications上发表了一项突破性研究，首次在非厄米光子系统中通过远场辐射测量成功表征了贝利曲率。

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图1.辐射拓扑-能带拓扑的对应关系

在研究中，团队利用光子晶体平板结构构造具有非平凡拓扑性质的光子能带。为解决波函数被封闭在体系内部难以直接观测的难题，团队提出利用辐射光子作为“信使”，将体系内部的能带拓扑信息投射在远场辐射的偏振信息中，成为一种直接观测开放体系拓扑性质的创新方法。团队理论上证明了光子辐射的几何特性与系统内在能带拓扑的关系，即 “辐射拓扑-能带拓扑的对应关系”（bulk-radiation correspondence）。团队发现远场辐射的偏振态作为可直接观测量，可直接反映非厄米体系光子能带的贝利曲率在二维动量空间中的分布。由此，团队构建了一个光学测量系统，对蜂窝晶格光子晶体平板中的贝利曲率以及谷-陈数进行了直接测量。

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图2.Berry曲率实验测量与理论计算结果

该研究为观测开放体系内封闭的拓扑性质提供了新方法，不仅拓展了拓扑物理学领域的研究手段，也启发了非厄米光子学、拓扑 激光器、非厄米拓扑传感等领域的研究思路。该论文于2025年3月21日发表在Nature Communications。

尹雪帆、陈烨为共同第一作者，彭超为通讯作者。该工作得到科技部重点研发计划和国家自然科学基金等项目的支持。

论文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-025-58050-8