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葡萄游戏厅博士生张莉在《Nature Communications》发文报道基于扭曲拓扑缠绕的非厄米趋肤效应

发布日期 :2021-11-19    阅读次数 :0

浙江大学葡萄游戏厅张莉博士生(导师:杨怡豪百人计划研究员、陈红胜教授)为第一作者的关于基于扭曲拓扑缠绕的非厄米趋肤效应的研究论文“Acoustic non-Hermitian skin effect from twisted winding topology”于2021112日在线发表在国际综合类期刊《Nature Communications》上。

 

能量守恒是封闭系统(与外界环境无相互作用的系统)普遍遵守的基本定律。当考虑一个与外界环境相互作用的非封闭系统时,该非封闭系统的能量可不守恒。该系统通常表现为增益或者损耗特性,比如激光器、吸波材料、无线能量传输系统等。在物理学中,此类非封闭系统的物理特性由非厄米哈密顿量表征。近年来,实验和理论研究极大地促进了非厄米物理学的发展。研究人员发现非厄米系统中存在许多新奇物理现象并可应用于构造新型器件,例如单模激光、单向隐身以及无线能量传输。非厄米趋肤效应是近几年来非厄米物理学的研究前沿和热点,不仅具有重要理论价值,也存在广泛应用前景,如高灵敏传感器、单向波导、能量收集器等。非厄米趋肤效应表现为在开放边界条件下,系统中本征态局域在边界处,并且局域特性由系统拓扑缠绕数决定。该拓扑缠绕数可由系统特征频率在复平面上形成的闭合路径的圈数和方向表征。随着光学、量子调控技术的发展,研究人员已在量子、光学、电路等体系中实现了非厄米趋肤效应。然而,目前非厄米趋肤效应的研究仅局限于单缠绕数系统(缠绕数为±1),复杂拓扑缠绕数系统中的非厄米趋肤效应尚未实验实现。

在该工作中,张莉等人首次利用非互易声学系统,实验实现了扭曲拓扑缠绕数系统中的非厄米趋肤效应。该系统由谐振腔以及放大电路组成,其中单向放大电路可连接任意位置的两个谐振腔,极大地增加了系统自由度。当放大电路连接相邻谐振腔时,该系统具有单拓扑缠绕数(图1),并且系统中所有模式都聚集在单个边界。然而,当放大电路连接次近邻谐振腔时,该系统本征频率的拓扑缠绕表现为“8”型(图2)。进一步实验发现,在不同频率下,系统本征模式会集中在不同边界处。此外,在拓扑缠绕交点处,模式会均匀分布在所有腔中,表现为布洛赫态。


1:单拓扑缠绕系统实验样品、理论计算和实验结果



2:“8”型拓扑缠绕系统实验样品、理论计算和实验结果

 

 该工作为研究高阶非互易耦合提供了新思路,并为探索非厄米非互易系统构建了新平台。所揭示的物理机理可广泛适用于电磁波、光学等系统,并可拓展至二维及三维空间,为进一步研究高阶非厄米趋肤效应等奇异物理现象奠定了基础。此外,该研究成果有望应用于高灵敏度传感器、紧凑单向波导、新型放大器等。

杨怡豪研究员及江苏大学葛勇副教授为共同第一作者。杨怡豪研究员、江苏大学孙宏祥教授、浙江大学葡萄游戏厅陈红胜教授、新加坡南洋理工大学张柏乐教授为论文共同通讯作者。该工作的合作者还包括浙江大学博士生陈巧璐、阎清晖、陈福家、李元贞、博士后席瑞,以及江苏大学管义钧教授、贾鼎教授、袁寿其教授。该工作受到国家自然科学基金委杰出青年基金项目和面上基金项目资助。

相关链接:https://www.nature.com/articles/s41467-021-26619-8.


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