Light | 非線性旋錯態的觀測

2023-12-29 12:16

來源：澎湃新聞·澎湃號·湃客

▍撰稿：張貽齊

▍導讀

近日，西安交通大學的張貽齊教授和俄羅斯科學院的Yaroslav V. Kartashov教授聯合團隊，采用飛秒激光直寫技術在非線性熔融石英上刻寫了具有五邊形和七邊形旋錯核的波導陣列，并在該波導陣列中，通過調整探測激光的功率成功實現了非線性旋錯態的觀測。此外，團隊證實了非線性旋錯態是從線性旋錯態中分化來的，并在實驗和理論上證明非線性旋錯態可被高斯光束無閾值地激發，理論和實驗結果符合很好。該研究為深入研究高階拓撲態的行為和應用提供了新的思路和方法。

該文章發表在期刊Light: Science & Applications，題為“Observation of nonlinear disclination states”。博士生任博權和Antonina A. Arkhipova為本文的共同第一作者，張貽齊教授和Yaroslav V. Kartashov教授為本文的共同通訊作者。

拓撲絕緣體及其邊界態的研究是近年來的熱點研究領域之一。高階拓撲絕緣體是一類特殊的拓撲絕緣體，相對于一階拓撲絕緣體而言，高階拓撲絕緣體可觀測到更低維度的邊界態從而展現出更加豐富的拓撲特性。通常d維的高階絕緣體具有d-1維的拓撲邊界態及d-2維的角態。研究表明由周期陣列的特定變形得到的非周期結構中出現的旋錯態，在形式上也屬于高階拓撲態。旋錯態局域在旋錯缺陷的邊界上，可用體-旋錯對應原理進行預測。

然而，與之前報道的具有周期性結構的高階拓撲絕緣體幾何結構相比，旋錯系統可能具有其他類型的離散旋轉對稱性，該對稱性與晶體對稱性不兼容，無法在通常的高階拓撲絕緣體中實現。并且，到目前為止，拓撲旋錯態僅在線性領域中被觀測到，而在旋錯系統中非線性和拓撲之間的相互作用在實驗上還尚未研究。

研究團隊通過利用具有五邊形和七邊形核旋錯陣列（圖1），首次在實驗上觀測到了的非線性拓撲旋錯態。該陣列是通過在周期性蜂窩結構中移除或添加扇區來獲得的，并可通過改變Kekulé畸變系數來調控系統的非拓撲相和拓撲相之間的轉換。在實驗上，該研究團隊采用飛秒直寫技術將旋錯陣列刻寫在非線性熔融石英上。與之前在由介電圓柱體陣列構建的線性光子晶體中觀察到的旋錯態不同，本工作研究了熔融石英的非線性響應對系統結構中旋錯態的性質和局域性的影響。

圖1. 旋錯陣列及其線性能譜。(a)不同畸變系數下的五邊形旋錯波導陣列的電鏡圖 (b)五邊形旋錯陣列結構的線性能譜 (c)拓撲相下五邊形旋錯陣列的能譜 (d–f)七邊形旋錯陣列的電鏡圖及其線性能譜。

在文章中，比較了不同Kekulé畸變系數下系統的非線性激勵行為。實驗結果表明，當高斯光束聚焦到旋錯核心的波導中，非線性旋錯態可以被有效地激發，其局域性可由高斯光的功率來控制。當旋錯陣列處于拓撲相位時，可以激發出無閾值旋錯孤子（圖2），且功率的取值范圍比較寬。而當旋錯陣列處于非拓撲相時，在低功率下激發相同的波導則會產生強衍射，且非拓撲自陷態的形成需要相當大的功率閾值條件。通過比較，理論模擬和實驗吻合的很好。