近日，华中科技大学陆培祥教授带领的阿秒超快光学团队王兵教授、刘为为副教授与武汉光电国家研究中心夏金松教授团队合作，在片上光子合成维度手性边界态研究取得重要进展，研究成果以“Reconfigurable chiral edge states in synthetic dimensions on an integrated photonic chip”为题发表在Physical Review Letters上。华中科技大学物理学院刘为为副教授、博士生苏小龙、武汉光电国家研究中心博士生李炽均、曾成讲师为论文共同第一作者，王兵教授、夏金松教授和陆培祥教授为论文通讯作者。该工作得到了国家自然科学基金委面上项目和创新研究群体项目的资助。
手性边界态是拓扑物理的标志性特征，在量子力学、凝聚态物理和拓扑光子学等领域具有重要的研究意义。当前人们已经在拓扑光子晶体、合成维度光子晶格等体系实现了具有拓扑特性的手性边界态，然而这些体系所依赖的实空间光子结构往往较为复杂，而且对结构参数的调节存在较大难度，因而限制了拓扑手性边界态的完全重构和灵活调控。
针对以上关键问题，王兵教授、刘为为副教授等提出基于薄膜铌酸锂光子芯片构建合成维度实现可重构手性边界态的新思路。研究团队利用电光调制薄膜铌酸锂微环谐振腔产生合成频率晶格，并且通过巧妙引入环内顺时针和逆时针两个旋向模式之间的耦合，构建了频率-赝自旋二维合成光子体系，如图1所示。在实验中，研究团队利用两组方向相反的行波调制实现对不同赝自旋自由度频率晶格的独立调控，从而极大提升了系统的调控自由度。
图1.基于电光调制薄膜铌酸锂微环谐振腔构建合成频率-赝自旋二维光子体系原理图。
图2. 合成Hall梯子中的手性边界态。
在图3中，通过对频率模式之间的耦合进行调控，并在其中一个赝自旋自由度中引入长程耦合，可构建两个子Hall梯子和一个三角梯子组成的合成“异质界面”。由于该结构的对称性被打破，从而展示出非平衡的手性边界特征。
图3. 合成“异质界面”的非平衡手性边界态。
在图4中，同时在两个赝自旋自由度对应的频率模式之间引入最近邻和次近邻耦合，可构建一组“赝三维”Hall梯子模型。通过对这一体系的光子规范势进行调节，实现了手性边界态的拓扑动态调控，包括手性、单自旋态增强以及完全抑制等特征。
图4. 合成“赝三维”Hall梯子中的可重构手性边界态。
本研究在单一薄膜铌酸锂微环谐振腔光子芯片中构建了二维合成光子体系，并实现了可动态重构的手性边界态，解决了实空间体系手性边界态难以重构和灵活调控的关键问题。这项工作为在合成空间中模拟和操控手性拓扑边界态开拓了新的集成光子平台，为在光子芯片中研究高维拓扑物理问题奠定了基础，研究成果在光通信、量子模拟、量子信息处理以及光子神经计算等领域具有重要应用前景。
文章链接
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.134.143801
供稿：课题组
