浙江大学最新Science
-
阅读： 2022/12/12 11:38:45
拓扑光子学为探索传统电子材料之外的拓扑物理提供了一个强大的平台，在光传输和激光方面显示出了广阔的应用前景。经典自由度通常用于构造实维或合成维的拓扑光模。在经典拓扑之外，光的固有量子性质提供了丰富的基本不同的拓扑状态。
2022年12月1日，浙江大学王大伟课题组、王浩华课题组与宋超课题组合作在Science杂志在线发表题为“Observing the quantum topology of light”的研究论文，该研究对超导电路中量子化光的拓扑态进行了实验，建立了一维和二维Fock态格。研究实现了丰富的拓扑物理，包括Su-Schrieffer-Heeger模型的拓扑零能态、应变诱导的伪朗道能级、山谷霍尔效应和霍尔丹手性边缘电流。
总之，这项研究将光的拓扑态扩展到量子体系，将凝聚态物理的拓扑相与电路量子电动力学连接起来，并为控制多谐振器的量子态提供了自由。
量子霍尔效应揭示了由能带的拓扑不变量分类的物质的新相。对于强磁场中的二维电子，朗道能级之间的手性边缘态有助于量子化霍尔电导率，不受局域缺陷的影响。这种拓扑效应也可以在没有朗道能级的情况下存在，例如在为拓扑绝缘体奠定基础的霍尔丹模型中。这种拓扑效应也可以在没有朗道能级的情况下存在，例如在Haldane模型中，它奠定了拓扑绝缘体的基础。量子霍尔边缘态的光学模拟开辟了一个新的研究领域——拓扑光子学，它在路由和产生电磁波方面带来了丰富的应用，如无后向散射波导和拓扑绝缘体激光器。
经典的自由度如频率和轨道角动量已被广泛用于合成新的晶格维度来嵌入拓扑模态。这种纯经典的光拓扑与电子的拓扑相形成了鲜明的对比，在电子的拓扑相中，量子波和费米子统计起着基本作用。有趣的是，从光量化和玻色子统计中产生的新的拓扑态已经被预测到超越经典解释。电路量子电动力学(?quantum electrodynamics, QED)的最新发展使得实现光的这些固有量子拓扑态成为可能，它们在工程光子拓扑中提供了量子自由度，并在玻色子量子信息处理中提供了拓扑控制旋节。
在Fock态晶格(?Fock-state lattice, FSL)中，模提供了一个维度，这与传统晶格中的位相比，包括合成维度。FSLs利用了光的无限量子希尔伯特空间，使得仅用少量腔模就能构建高维晶格成为可能。
为了描述这种维度可扩展性，该研究使用了Jaynes-Cummings (JC)模型，该模型描述了两能级原子与量子化光之间的相互作用。使用多重量化光模来耦合原子。在两种光模式下，Fock态形成了Su-Schrieffer-Heeger (SSH)模型的一维(1D)晶格。通过仅添加另一种模式，研究人员得到二维(2D)应变蜂窝晶格。这些晶格具有位置相关的耦合强度，这源于玻色子湮灭算符的性质。
图1. 多模Jaynes-Cummings模型的Fock态格（图源自Science ）
在这项工作中，研究人员演示了一维和二维FSLs中拓扑零能态的相干控制。这些态只占据量子位处于|↓>态的子格，它们被真空拉比频率的能隙保护，不受其他本征态的影响。利用耦合强度的缓慢调制和谐振腔间的小失谐等能量小于此间隙的扰动，实现零能态的相干控制，实现拓扑输运和VHE。并引入Floquet调制实现霍尔丹手性边缘电流。
这项研究中开发的技术可以应用于控制FSL中的其他本征态，如高朗道能级的激发态。这种方法也可以用于研究更复杂的量子位谐振子耦合系统的拓扑状态，其中谐振子的数量决定了FSLs的维度，量子位的每个状态标记了一个子点阵，其丰富程度超过了凝聚态物理中已知的拓扑相。
图2. Fock态霍尔丹模型的手性边缘电流（图源自Science ）
总的来说，这项研究为研究FSLs的拓扑相以及开发新的玻色子模式量子态工程控制方法铺平了道路。
原文链接：
https://www.science.org/doi/10.1126/science.ade6219
转自：“iNature”微信公众号
如有侵权，请联系本站删除！