综合尺寸为构建高阶拓扑绝缘子提供了新途径

2022-01-01 16:24:00殷心群导读拓扑绝缘子一直是综合令人兴奋的研究领域，具有根本的尺寸兴趣以及实际应用，例如电子和光的为构稳健传输以及拓扑量子计算。这种传统拓扑绝缘子的建高阶拓特点是

拓扑绝缘子一直是令人兴奋的研究领域，具有根本的扑绝兴趣以及实际应用，例如电子和光的缘提稳健传输以及拓扑量子计算。这种传统拓扑绝缘子的供新特点是存在导电边界模式，该边界模式的途径维数比承载它们的绝缘本体系统低一维，例如，综合二维系统边界处的尺寸一维边缘模式，或二维系统的为构边界。三维系统边界上的建高阶拓三维表面状态。在2017年，扑绝科学家们将此概念推广到一个新的缘提阶段，即称为高阶拓扑绝缘体(HOTI)的供新新阶段，该阶段支持“角模式”，例如二维系统中的零维模式。自那时候起，这个新的HOTI阶段已经进行了几次实验演示，其中大多数涉及复杂的几何形状。此外，这些先前的系统是固定的，即，一旦制造完成，便无法动态切换或调整其高阶拓扑行为。

在《光科学与应用》上发表的一篇新论文中，由斯坦福大学的樊善辉教授领导的一组科学家和同事们提出了一种方法，该方法使用一种新兴概念来实现这种高阶拓扑和拐角状态。 “综合尺寸”，采用更简单的结构和动态可调的方式。通常，假定像光子和电子这样的粒子沿x，y和z或长度，宽度和深度这三个方向移动。如果可以想象光子的运动超出这三个“真实”方向怎么办?研究小组称这些额外的运动方向为“综合维度”。

为了使这个概念从三个实际维度跃升为合成维度，他们利用了所有光子固有的内部属性-光的频率或颜色，它决定了光子携带多少能量。斯坦福大学研究小组和其他小组的先前工作已经使用这种合成尺寸的概念演示了常规(一阶)拓扑阶段，包括有趣的物理现象，例如量子霍尔效应。然而，尽管HOTI的高维性质非常适合于合成尺寸的概念，但直到现在，高阶拓扑仍然没有达到合成尺寸的范围。

为了构造更高阶的拓扑绝缘体，研究人员建议使用一组以特定布置彼此耦合的环形谐振器。每个环形谐振器本质上是一条透明材料制成的细线，在其自身上成环，这样一来，光子就可以绕环多次。一对两个相同的环形谐振器共同形成一个“光子分子”，就像两个氢原子形成一个双原子分子一样。通过沿一条线排列多个这样的光子分子，可以形成光子的二阶拓扑绝缘体。就像在实际尺寸中可以控制光子向右还是向左移动(例如沿x方向)一样，环形谐振腔可以在合成尺寸中控制光子在频率上是向上还是向下移动。

接下来，研究小组通过将特定频率的激光发送到光子分子集中，预测如何在该系统中看到高阶拓扑的标志-转角模式。对于这些转角模式，光被限制在由一个实数维和一个合成频率维组成的二维结构的角，而在其余结构中几乎没有光。

“合成尺寸的一大优势在于可以灵活地控制各种旋钮以调整系统参数。通过控制施加到光子分子中调制器的电子信号的强度和时序，我们展示了如何转换这些转角模式换句话说，您可以动态地将系统从具有高阶拓扑的系统切换为不具有拓扑的系统。这种功能在典型的电子或光子系统中是无与伦比的。”

使用合成尺寸，可以想到构建非常高维的拓扑绝缘体，由于我们生活在三维世界中，因此很难在现实空间中构建甚至无法想象。例如，该团队在四维系统中构建了四阶拓扑绝缘体，由于它超出了三维真实空间的范围，因此以前从未进行过预测。

“我们的食谱列出了如何使用合成尺寸在非常简单的系统中实现非常复杂的高尺寸现象，包括极高阶拓扑绝缘体以及光和物质的其他奇异相，并几乎可以任意地动态控制其特性。这个概念的实验实现完全在当前最先进的光子技术的范围之内。”