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信息学院电子学系彭超副教授课题组在《自然》发表拓扑保护下散射鲁棒的超高品质因子导模共振态研究成果

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微小尺度实现束缚light trapping构造光缓存、光逻辑和光量子计算的基础。束缚一般禁止光泄露的边界环绕而成,即光学微腔然而?诺伊曼尤金?维格纳指出,即使允许光场逃逸,仍可在特定条件下实现束缚,即所谓连续区束缚态bound state in the continuum, BIC这类束缚态依赖特定的干涉相消条件。由于实际器件工艺误差不可避免理想相消条件被破坏,光束缚能力必然随之劣化

为此北京大学信息科学技术学院电子学、区域光纤通信网与新型光通信系统国家重点实验室彭超副教授课题组麻省理工学院物理学系Marin Solja?i?教授、宾夕法尼亚大学物理与天文学系助理教授合作,从拓扑光子学视角提出一种抑制随机散射泄露的新方法。相关研究成果以《拓扑保护散射鲁棒超高品质因子导模共振》(Topologically enabled ultra-high-q guided resonances robust to out-of-plane scattering)为题,20191023在线发表于《自然》(Nature,第574卷第501504电子学系2016级硕士研究生金纪诚为第一作者,彭超为通讯作者。

拓扑学研究连续演化下的不变性质2016诺贝尔物理学奖授予物质拓扑相变和拓扑工作肯定了拓扑对于理解微观奇异世界的重要作用。光子学领域可用拓扑方法研究光子体系的内在性质BIC本质光子偏振在动量空间缠绕的涡旋携带整数拓扑荷的拓扑缺陷由于拓扑荷处偏振无法定义,即表现为逃逸被完全禁止

利用光子晶体平板实现光束缚利用二维、四方晶格周期排布的圆孔在布里区中心形成一个对称性保护、固定的整数拓扑荷,并被八个沿对称线分布、可调的整数拓扑环绕通过调节结构参数使个拓扑连续演变,并渐进合并布里区中心进而形成动量空间里偏振涡旋的完美风暴。在这一拓扑演化下,逃逸能量波矢的渐进关系从平方率跃变为六次方,即对于同样的波矢偏移,逃逸能量大幅减弱。因此在工艺误差引入随机波矢偏移时仍具有优异的光束缚性能。与此同时束缚能量品质因子来衡量即光子在体系中的存活寿命。制备的样品中利用谐振泵浦技术激发光子能带实验上观测到Q高至4.9×105,较传统设计提升12进而证明了渐进合并拓扑方法对抗随机散射泄露的有效性。

以上研究工作得到国家自然科学基金、教育部纳光电子前沿科学中心支持融合拓扑物理学、非厄米系统物理学,为实现光场束缚开拓了新方向,在微腔光子学、非线性低功耗激光器等领域具有重要前景,被同期评论文章为“实质性提升substantial enhancement)和重大进展large boost)。

近两年,彭超其合作者相继在《科学》发表非厄米系统费米弧观测(Science, 359, 1009-1012彭为并列第一作者20183实空间非阿贝尔规范场的合成和观测Science, 365, 1021-1025第二作者20199研究成果。

原文链接:https://www.nature.com/articles/s41586-019-1664-7

 

1动量空间偏振涡旋携带拓扑渐进合并,导致逃逸能量渐进关系跃变平方率至六次方率

 

2谐振泵浦激发下的远场辐射等频率面通过对反射谱的拟合测量Q值,在实验中直接观测达4.9×105 

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