北大科研進展

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信息學院電子學系彭超副教授課題組在《自然》發表拓撲保護下散射魯棒的超高品質因子導模共振態研究成果

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微小尺度實現束縛light trapping構造光緩存、光邏輯和光量子計算的基礎。束縛一般禁止光泄露的邊界環繞而成,即光學微腔然而?諾伊曼尤金?維格納指出,即使允許光場逃逸,仍可在特定條件下實現束縛,即所謂連續區束縛態bound state in the continuum, BIC這類束縛態依賴特定的干涉相消條件。由于實際器件工藝誤差不可避免理想相消條件被破壞,光束縛能力必然隨之劣化

為此北京大學信息科學技術學院電子學、區域光纖通信網與新型光通信系統國家重點實驗室彭超副教授課題組麻省理工學院物理學系Marin Solja?i?教授、賓夕法尼亞大學物理與天文學系助理教授合作,從拓撲光子學視角提出一種抑制隨機散射泄露的新方法。相關研究成果以《拓撲保護散射魯棒超高品質因子導模共振》(Topologically enabled ultra-high-q guided resonances robust to out-of-plane scattering)為題,20191023在線發表于《自然》(Nature,第574卷第501504電子學系2016級碩士研究生金紀誠為第一作者,彭超為通訊作者。

拓撲學研究連續演化下的不變性質2016諾貝爾物理學獎授予物質拓撲相變和拓撲工作肯定了拓撲對于理解微觀奇異世界的重要作用。光子學領域可用拓撲方法研究光子體系的內在性質BIC本質光子偏振在動量空間纏繞的渦旋攜帶整數拓撲荷的拓撲缺陷由于拓撲荷處偏振無法定義,即表現為逃逸被完全禁止

利用光子晶體平板實現光束縛利用二維、四方晶格周期排布的圓孔在布里區中心形成一個對稱性保護、固定的整數拓撲荷,并被八個沿對稱線分布、可調的整數拓撲環繞通過調節結構參數使個拓撲連續演變,并漸進合并布里區中心進而形成動量空間里偏振渦旋的完美風暴。在這一拓撲演化下,逃逸能量波矢的漸進關系從平方率躍變為六次方,即對于同樣的波矢偏移,逃逸能量大幅減弱。因此在工藝誤差引入隨機波矢偏移時仍具有優異的光束縛性能。與此同時束縛能量品質因子來衡量即光子在體系中的存活壽命。制備的樣品中利用諧振泵浦技術激發光子能帶實驗上觀測到Q高至4.9×105,較傳統設計提升12進而證明了漸進合并拓撲方法對抗隨機散射泄露的有效性。

以上研究工作得到國家自然科學基金、教育部納光電子前沿科學中心支持融合拓撲物理學、非厄米系統物理學,為實現光場束縛開拓了新方向,在微腔光子學、非線性低功耗激光器等領域具有重要前景,被同期評論文章為“實質性提升substantial enhancement)和重大進展large boost)。

近兩年,彭超其合作者相繼在《科學》發表非厄米系統費米弧觀測(Science, 359, 1009-1012彭為并列第一作者20183實空間非阿貝爾規范場的合成和觀測Science, 365, 1021-1025第二作者20199研究成果。

原文鏈接:https://www.nature.com/articles/s41586-019-1664-7

 

1動量空間偏振渦旋攜帶拓撲漸進合并,導致逃逸能量漸進關系躍變平方率至六次方率

 

2諧振泵浦激發下的遠場輻射等頻率面通過對反射譜的擬合測量Q值,在實驗中直接觀測達4.9×105 

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