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合成维数为构造高阶拓扑绝缘子提供了一种新方法

拓扑绝缘子已经成为一个令人兴奋的研究领域,具有基本的兴趣和实际应用,如电子和光的鲁棒输运,拓扑量子计算。这种传统拓扑绝缘体的标志进行边界的存在模式具有一维低于绝缘大部分系统的主机——那些例子一维边缘模式边界的二维系统,或者一个二维表面状态在一个三维系统的边界。2017年,科学家们将这一概念推广到预测一种名为“高阶拓扑绝缘子”(HOTIs)的物质的新阶段,它支持“角模式”,例如。二维系统中的零维模。从那时起,有几个实验证明了这个新的热蒂阶段,其中大多数涉及复杂的几何。此外,这些以前的系统是固定的。一旦它们被制造出来,就不能动态地切换或调整它们的高阶拓扑行为。

在新发表的论文在光科学与应用程序中,一组科学家,由Shanhui风扇从斯坦福大学教授,美国,和同事提出了一种实现高阶拓扑和角落等国家使用一个新兴概念合成的维度,在简单的结构和动态可调。通常,像光子和电子这样的粒子被假定沿三个方向运动——x、y和z,或长宽深。如果人们可以想象光子在这三个“真实”方向之外的运动会怎样?研究小组称这些额外的运动方向为“合成维度”。

为了实现从三维到合成维度的概念飞跃,他们利用了所有光子固有的内部特性——光的频率或颜色,这决定了光子所携带的能量。斯坦福大学的团队和其他团队之前的工作已经证明了传统的(一阶)拓扑阶段使用了合成维度的概念,包括有趣的物理现象,如量子霍尔效应。然而,尽管HOTIs的高维特性非常适合合成维的概念,但到目前为止,高阶拓扑仍然超出了合成维的范围。

为了构造高阶拓扑绝缘体,研究人员建议使用一组环形谐振器,这些谐振器以特定的安排相互耦合。每个环形谐振器本质上是由透明材料绕圈而成的细线,这样光子就可以在环形中绕很多次。一对相同的环形谐振器一起形成一个“光子分子”,就像两个氢原子形成一个双原子分子。通过将多个这样的光子分子沿一条线排列,可以形成光子的二阶拓扑绝缘体。就像在真实维度中,我们可以控制光子向左还是向右移动(比如在x方向上),环形谐振器可以在合成维度中控制光子在频率上是向上还是向下。这种频率的移动是由另一种被称为调制器的光子元件实现的。调制器是一种可以高速改变材料折射率的装置,这使其成为当今光通信网络的重要组成部分。

接下来,研究小组预测了高阶拓扑的特征——角落模式——是如何通过向一组光子分子发送特定频率的激光来观察的。对于这些角模,光被限制在一个真实维和一个合成频率维的二维结构的角上,其余部分几乎没有光。

“合成尺寸的一大优点是,可以灵活地控制各种旋钮来调整系统参数。通过控制应用于光子分子调制器的电子信号的强度和时间,我们展示了如何打开和关闭这些角模。换句话说,你可以动态地将系统从高阶拓扑切换到无拓扑。这种能力在典型的电子或光子系统中是无与伦比的。

有了合成维度,我们可以想象建造高维拓扑绝缘体,这在现实空间中是很难建造甚至想象的,因为我们生活在一个三维的世界里。例如,该团队在一个四维系统中构建了一个四阶拓扑绝缘体,这之前没有被预测过,因为它超出了三维真实空间的范围。

“我们的配方展示了如何使用合成维度来实现非常复杂的高维现象,包括极高阶的拓扑绝缘体和其他奇异的光和物质相,在更简单的系统中,并几乎随意地动态控制它们的属性。”这一概念的实验实现完全在目前最先进的光子技术范围内,”科学家们补充说。

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