北京大学物理学院刘文静、高宇南课题组与合作者实现亚皮秒激子极化激元拓扑相变

北京大学物理学院、纳光电子前沿科学中心、人工微结构和介观物理国家重点实验室刘文静、高宇南、龚旗煌课题组联合中国科学院物理研究所、华东师范大学等单位，实现了非线性激子极化激元超晶格的超快拓扑相变，为构建片上超快全光器件开辟了新的途径。相关成果以《非线性激子极化激元超晶格中的亚皮秒拓扑相变》（“Sub-picosecond topological phase transition in nonlinear exciton–polariton superlattices”）为题，于2025年9月26日在线发表于《自然·物理学》（Nature Physics）。

对光子拓扑相实现超快、按需的操控对推动复杂拓扑动力学的研究以及开发高速、高性能的拓扑器件至关重要。然而，目前实验上在构建高度灵活的拓扑结构的同时，难以兼具对系统参数的精确调控能力。结合光学非线性效应，可以通过外加光场实时地改变材料的光学性质，此设想已被理论及实验证实可用于实现可重构拓扑态。然而，被动光子系统的非线性响应较弱，实现拓扑相变通常需要较长的相互作用时间和较大的器件尺寸，导致相变过程被限制在纳秒量级，并难以实现器件的小型化。

激子极化激元是光与固态半导体中的激子强耦合形成的半光-半物质准粒子。它同时具备光子系统的高设计自由度和电子体系强而丰富的粒子间相互作用，因而有望用于构筑超紧凑、超高速的可重构片上光子器件。研究团队将图案化的单层二维半导体与谷霍尔光子晶体强耦合，构建出具有亚晶格对称破缺的激子极化激元超晶格。基于激子漂白效应，团队通过飞秒激光脉冲超快调控激子-光子耦合强度，并结合角分辨泵浦探测技术，在0.5皮秒内实现了极化激元拓扑相变。研究团队同时还建立了非线性光子-激子耦合理论模型，准确预测并验证了瞬态能带结构及其拓扑性质的动态演化过程。

非线性激子极化激元拓扑晶格的超快全光拓扑相变

研究团队进一步在具有锯齿形（zigzag）界面的拓扑光子器件中，通过调控拓扑体态的拓扑相，实验观察到了拓扑边界态传播方向的瞬时反转，从而有望推动发展超快可重构光子回路。该工作将光学拓扑相变的时间尺度从纳秒级推进至亚皮秒级，为研究弗洛凯调控、非厄米拓扑等动态拓扑现象提供了理想实验平台，并为研制片上全光主动调控器件提供了新思路和技术路径。

论文的共同第一作者为北京大学物理学院2022级博士生赵何菲和2023级博士生关政，共同通讯作者为刘文静、高宇南。论文的主要合作者还包括北京大学物理学院的王树峰教授、特聘副研究员邵增凯，中国科学院物理研究所研究员李贝贝，以及华中师范大学研究员李辉。

上述研究工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金等的支持。