Nature Communications | 腔可调谐拓扑极化激元相的实验观测

导读  

近日，南方科技大学高振副教授课题组与东莞理工学院孟岩特聘副研究员、武汉科技大学教师颜贝、中国科学院空天信息创新研究院尚策研究员合作，通过改变金属腔的宽度来调控光与物质相互作用强度，在不改变晶格结构的情况下首次实验实现腔可调谐拓扑极化激元相并实验观测到一种包含三个非重合相变点的新型拓扑相变。相关研究成果以《Observation of cavity-tunable topological phases of polaritons》为题发表于国际著名期刊《Nature Communications》。南方科技大学博士研究生赵冬、硕士研究生王子尧为共同第一作者，南方科技大学高振副教授、东莞理工学院孟岩特聘副研究员、武汉科技大学讲师颜贝、中国科学院空天信息创新研究院尚策研究员为共同通讯作者，重庆大学杨林运副教授、东莞理工学院郗翔副教授，南方科技大学高级研究学者朱震霄博士、博士生涂清安、硕士研究生钟宇昕、焦宵媛也为本工作做出了重要贡献。

拓扑光子学与拓扑极化激元学的发展为光信息的鲁棒调控提供了新思路，极大地推动了拓扑波导、谐振腔、激光器等新型光学器件的发展。然而，传统调控拓扑相的方法往往依赖于改变晶格结构或材料特性，不仅操作复杂，而且限制了动态调控的灵活性。最近的理论研究[Phys. Rev. Lett. 123, 217401 (2019)]提出了一种全新调控思路：通过调控光与物质相互作用（改变晶体周围的电磁环境），可以在不改变晶格结构的前提下实现可调谐的极化激元拓扑相。这一新机制为拓扑光子学研究开辟了新的方向。然而，截至目前，这一全新物理机制尚未被实验证实。在此背景下，南方科技大学高振副教授课题组联合国内多个单位，聚焦于如何通过实验实现这一新型调控机制并探索其背后的拓扑相变规律，为动态可调拓扑光学器件的设计开辟新的道路。

为实现腔体可调谐的拓扑极化激元，研究团队设计了一种巧妙的实验体系：将一条二聚化的微波螺旋谐振子链置入矩形金属腔中，会把一维SSH模型（SU(2)）拓展为光与物质相互作用的三能级系统（SU(3)）。本工作中，我们将金属腔的高度固定，通过改变金属腔宽度来调控光与物质相互作用强度，从而在不改变晶格结构的情况下实现可调谐的极化激元拓扑相。简单来说，两个偶极子模式间的库仑相互作用（强度Ω）导致对称模与反对称模频率劈裂（如图1.a所示）。金属腔单独存在时仅支持一个腔模（如图1.b）。微波螺旋谐振子与金属腔相互耦合产生三个极化激元模式（如图1.c），其模式杂交过程可通过红（偶极子模式主导）蓝（腔模主导）颜色及其占比来刻画（如图1.d）。

图1. 三能级系统中光与物质相互作用示意图。a 两个微波螺旋谐振子（MHR）耦合之后产生的对称与反对称本征模的E_z电场分布（上图）。库仑相互作用（强度Ω）导致模式劈裂成两个特征频率分别为的对称耦合偶极模式和的反对称的耦合偶极模式。这两个耦合偶极模式在其特征频率附近产生两个共振峰（下图）。a.u.表示任意单位。b 金属腔模式的E_z电场分布（上图），在其基频共振频率附近产生一个共振峰（下图）。c 嵌入金属腔的两个MHR产生的三个极化激元模式的E_z电场分布（上图）。偶极模式与腔模式之间的杂化作用产生了三个特征频率分别为的极化激元模式（下图）。d 两个耦合偶极模式与光子腔模式构成的三能级系统模式杂化示意图。其中偶极模式与腔模式的杂化成分分别用红色与蓝色占比表示。

2.从理论到实验的关键验证

研究团队通过数值模拟（图2）与实验测量（图3、图4)，系统地验证了腔体宽度（L_y）对极化激元的能带、拓扑相以及边界态的调控。首先是对能带的调控：当L_y从1.1d增至3.0d时，能带从弱耦合情况下标准的SSH 模型的对称结构，逐渐演变为强耦合下的反交叉结构，带隙闭合与重新打开过程清晰可见。拓扑相（Zak 位相）的转变：作为表征一维系统拓扑特性的关键指标，实验测量的Zak相随L_y的增大呈现出从拓扑非平庸相（π）到拓扑平庸相（0）的转变，相变点约在（L_y= 2.6d)，与模拟结果高度吻合。这表明仅通过调控腔体环境，就能改变系统的能带和拓扑性质。

图2. 极化激元的可调拓扑相。a由嵌入金属腔的一维二聚化MHR链组成的复合结构示意图。该链以MHR二聚体为单元，两个MHR的中心间距分别为d₁和d₂，晶格常数d=d₁+d₂。L_x、L_y和L_z分别表示腔体沿x、y和z方向的尺寸。b MHR结构参数：铜线直径2r、螺旋直径2R、螺旋高度h及螺旋轴向间距l。c三体系统的模拟能带随腔宽L_y和波矢k_x的变化关系，其中蓝、红、橙三个曲面分别代表三个极化激元模式对应的能带。d-g不同腔宽L_y= 1.1d (d)、2.4d (e)、2.6d (f) 和3.0d (g) 时的模拟能带结构。绿色字母π或0表示最低两个极化激元能带的Zak相位。插图为k_x= 0 (A,B,C三个点) 和k_x= π/d (D点) 处本征模的E_z电场分布。红色（黄色）虚线标示对应极化激元能带的底部（顶部）。

图3. 通过调节腔体宽度（L_y）实现极化激元可调谐能带结构的实验观测。a样品照片：由嵌入金属腔体的30个微波谐振子（MHR）组成的一维二聚化链。上方金属盖板已移除以展示内部结构。b MHR一维二聚化链的单胞结构。单胞内两个MHR的位置分别标记为位site-1和位site-2。c-f不同腔体宽度L_y下测量的极化激元能带结构（彩色图）与模拟结果（白色实线）。白色虚线表示极化激元最低能带的最大频率。a.u.代表任意单位。

为了进一步研究腔调的极化激元拓扑相变，研究团队进一步模拟和测量了该一维SU（3）系统的拓扑不变量（图4.a）、以及体态和边界态随腔宽变化而演化的情况（图4.b-f）。从实验结果可以看出，团队实验验证一种从未被实验验证的拓扑相变模式——参数空间中存在三个非重合的临界点：带隙闭合点（L_y= 2.4d），极化激元带隙在此处消失；Zak相变点（L_y= 2.6d），拓扑不变量从π演化至0；边界态和体态合并点（L_y= 2.0d），拓扑边缘态在此处开始与体态杂交，逐渐失去局域特性，完成了边缘态从“局域于边界”到“弥散于体”的演化过程。这一发现打破了拓扑相变点与能带闭合点和拓扑边界态消失点三点重合的传统认知，揭示了光与物质强耦合下新的拓扑相变规律。

图4. 通过改变腔体宽度（L_y）实现极化激元拓扑相的可调谐实验观测。a 实验测量数据（红色圆点）与模拟结果（黑色曲线）显示的极化激元Zak相位随L_y变化关系。b 实验测量（背景彩图）与数值模拟（白点代表体态，青色圆圈代表边缘态）30个MHR一维二聚化链嵌入金属腔系统的本征频率随L_y变化关系。a.u.表示任意单位。c-d 分别对应L_y=1.7d（红色椭圆与矩形）、2.1d（蓝色椭圆与矩形）和2.8d（灰色椭圆与矩形）时拓扑边界态的模拟（c）与实验测量（d）电场分布图。灰色圆圈标注MHR的位置。e-f 不同腔宽L_y=1.7d（红线）、2.1d（蓝线）和2.8d（灰线）条件下局域在左边界的拓扑边缘态的电场分布（|E_z|对数表示）随腔长L_x变化的模拟（e）与实验（f）结果。Sim. (Exp.)分别表示模拟（实验）数据。

该研究首次实验证实了腔可调谐拓扑极化激元相，即在不改变晶格结构情况下，仅调控金属腔（光与物质相互作用强度）即可调控拓扑极化激元相，为拓扑光子学提供了新的调控自由度。该成果不仅加深了对光与物质相互作用下的拓扑物理现象的理解，而且为设计可调拓扑光子器件（如可调拓扑激光器、波导、谐振腔等）提供了全新思路。

文章链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-025-61121-5

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