南开团队在非厄米新奇拓扑物态的研究中取得重要进展
文章导读
损耗只会破坏拓扑边界态？南开大学研究团队用颠覆性实验给出了否定答案！通过精巧的双层结构设计，科学家们首次仅利用损耗就实现了拓扑边界态的离域化，让原本局限在边界的神奇态在体晶格中自由扩展。这项发表在Nature Communications的研究不仅突破了传统认知，更为开发高效非厄米拓扑器件开辟了新路径——当损耗从破坏者变为操控工具，量子世界将迎来怎样的技术革命？
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（通讯员 程丹）拓扑边界态，作为非平凡拓扑相中最具代表性的物理现象之一，因其迷人的鲁棒性，对背散射、无序和微扰等均表现出高度的免疫性，从而在光学、机械、电路和声学等系统中展现出广阔的应用前景。相较于理想情况下的厄米系统，真实的系统往往都是非厄米的，并伴随着与外界的能量交换，可以展现出复数的本征能谱。非厄米系统所特有的物理性质为拓扑物理带来了新的研究维度，并赋予了拓扑边界态诸多新奇的特性。作为非厄米的重要成员，损耗在自然界中无处不在，并反映了开放系统的必然趋势。相较于增益和非互易等有源调制会使得系统变得复杂和不稳定，损耗可以通过简单的无源结构进行调控从而极大地减小了系统的复杂性。然而，损失通常被认为对系统是有害的，并会使得本征态局域在边界。
近日，南开大学陈树琪教授、程化教授课题组与武汉大学刘正猷院士、邓伟胤教授课题组合作研究，挑战了对于损耗的这一传统理解。他们通过构建承载赝自旋自由度的双层结构，仅引入损耗，将原本局域在边界的拓扑边界态离域到体晶格中，实现了损耗诱导的拓扑离域态。相关研究成果以“Loss induced delocalization of topological boundary modes (损耗诱导的拓扑边界态的退局域研究)”为题，发表在国际知名期刊Nature Communications上。
图：基于双层结构与赝自旋自由度的损耗诱导拓扑离域态示意图
研究人员设计出具有赝自旋自由度的双层结构，并利用损耗实现了自旋极化的非互易纯虚耦合（上图）。通过精确调节的损耗参数，处于带隙内的拓扑边界态可以被离域至体晶格中，形成拓扑离域态，并同时伴随着自旋依赖的更加局域的拓扑边界态。这种拓扑离域态仍然是拓扑非平庸的，并保留了对微扰与无序的鲁棒性。利用电阻作为非厄米损耗构建的各个维度的无源电路，研究人员在实验中可视化了这一损耗诱导的拓扑离域态。该研究在拓扑物理与非厄米损耗之间建立了关键桥梁，为发展紧凑、高效的非厄米拓扑功能器件带来了新的思路。
本工作以南开大学为第一完成单位，南开大学博士生唐钰淦、长沙理工大学青年教师吴吉恩为共同第一作者。南开大学陈树琪教授、程化教授与武汉大学刘正猷院士、邓伟胤教授为共同通讯作者。该工作得到了国家重点研发计划、国家杰出青年科学基金、国家自然科学基金委优秀青年科学基金、国家自然科学基金青年学生基础研究项目等资助。
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这个研究太厉害了！南开大学真是牛👍