研究院助力上海交大和南京大学科研团队在人工晶格中观察光子轨道规范场

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人工规范场（Artificial gauge field）对自然界和人工材料中粒子的输运过程起着重要作用。对于像光子这种不携带电荷的粒子，实现量子霍尔效应和拓扑绝缘体等物理现象需要引入等效的磁场，即规范场。较多的研究内容聚焦于石墨烯材料中的狄拉克赝自旋来实现规范场，但其对应量子态的维度局限于自旋向上和自旋向下，可扩展性不强。在本工作中，研究团队第一次提出轨道规范场并在实验中将其应用于涡旋光的传输。在图1中的三角晶格中，中心的旋转缺陷(disclination defect)在晶格平面产生几何曲率的畸变并对轨道模式的哈密顿量引入角向的规范变换，从而产生作用在轨道模式上等效的规范场。轨道规范场的大小受晶格中插入旋转缺陷的弗兰克角(Frank angle)所控制，且轨道模式的维度理论上是无限的，具有较高的扩展性。

图1 在光子波导三角晶格中构建轨道规范场

在三角晶格中，随着图2中插入缺陷的弗兰克角扩大，晶格结构中的旋转规范变换带来的轨道规范场逐渐增强，在体能带的间隙中逐渐形成远离体态的涡旋简并态。在轨道规范场的束缚下，携带轨道角动量l = 0，+/-1，+/-2的轨道模式局域在晶格中心，而携带轨道角动量l = 3的轨道模式淹没在体态里。在涡旋光的实验测试中，研究团队验证了随着轨道规范场的增强，l = 2的高阶涡旋光逐渐被束缚在初始位置，几乎不扩散到体内晶格，并保持着完好的轨道角动量属性。轨道规范场构建出一条用于高阶涡旋光传输的理想信道。

图2 三角晶格中旋转缺陷与轨道规范场的关系，以及在能隙中涡旋态的束缚传输

如果在晶格中引入时变的矢量势场，轨道规范场的时间反演对称性会被破坏，因此在哈密顿量中与规范场作用的轨道狄拉克算符不再互相对易，在图3能隙中的涡旋束缚态将不再简并。在实验中，分别携带轨道角动量l=+2和l=-2的涡旋光分别呈现差异化的行为，前者扩散到晶格体内，而后者束缚在规范场中心，其与最近所报道的轨道霍尔效应具有类似的手性传输特性。

图3 螺旋矢量势场对轨道规范场时间反演对称性的破坏，以及涡旋光的手性传输

基于飞秒激光直写技术对光波导晶格的精准操控能力，人工光子材料可以灵活地实现特定的空间结构以及引入人工规范场，可自由地调控涡旋态的传输，并可进一步在涡旋激光器、光信号复用与解复用、光隔离器等器件中得到应用，推动轨道光子学的发展。

上海交通大学物理与天文学院博士研究生常义军和南京大学盛冲副教授为本文的共同第一作者，上海交通大学金贤敏教授为通讯作者。研究工作得到了上海市科委重大项目、国家自然科学基金重点项、国家重点研发计划、上海市教委的大力支持。

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https://doi.org/10.1002/adma.202310010

CHIPX合作研究成果列表

[1] High-efficiency reinforcement learning with hybrid architecture photonic integrated circuit. Nature Communications 15, 1044 (2024).

[2] Observation of a Photonic Orbital Gauge Field. Advanced Materials 2310010 (2024). (Cover).

[3] Scalable and programmable three-dimensional photonic processor. Physical Review Applied 20, 044041 (2023).

[4] Entangling motional atoms and an optical loop at ambient condition. npj Quantum Information 9, 62 (2023).

[5] Integrated Photonic Computing beyond the von Neumann Architecture. ACS Photonics 10, 1027–1036 (2023).

[6] Experimental 61-partite entanglement on a three-dimensional photonic chip. Optics Express 31, 17782 (2023).

[7] Experimental Boson Sampling Enabling Cryptographic One-Way Function. Physical Review Letters 130, 060802 (2023).

[8] Controllable Multiregister Transport on a Photonic Chip. ACS Photonics 9, 3841–3847 (2022).

[9] Research progress of integrated optical quantum computing. Acta Physica Sinica 71, 240302 (2022).

[10] Enhancing photon generation rate with broadband room-temperature quantum memory. Scientific Reports 12, 21900 (2022).

[11] Direct Observation of a Localized Flat-Band State in a Mapped Moire Hubbard Photonic Lattice. Physical Review Applied 054012 (2022). 

关于CHIPX

上海交通大学无锡光子芯片研究院（CHIPX）于2021年12月份在无锡市与上海交通大学深化全面合作的框架下正式成立，研究院由无锡市滨湖区人民政府、上海交通大学、蠡园经济开发区三方共同参与建设。

CHIPX率先在无锡布局国内首条光子芯片中试线，以高端光子芯片的研发为核心，聚焦新一代信息技术和产业化应用，推动量子计算机、通用光子处理器、三维光互连芯片和高精密飞秒激光直写机等变革性技术在无锡市落地转化。并围绕光子芯片中试线平台的基础设施和研发支撑，建设核心技术和产业形态聚焦的“光子芯谷”，打造以光子芯片底层技术为驱动，面向量子计算、人工智能、光通信、光互连、激光雷达、成像与显示、智能传感的新一代光子科技产业集群。

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