4月10日，《物理评论快报》(Physical Review Letters)在线发表了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合成维度拓扑光子芯片方面取得的最新研究成果Reconfigurable chiral edge states in synthetic dimensions on an integrated photonic chip。

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。传统的实空间拓扑光子晶格体系结构往往较为复杂，而且制备以后很难对结构参数进行调节，从而限制了拓扑手性边界态的完全重构和灵活调控。针对这一关键科学问题，王兵、刘为为等提出基于合成维度光子芯片实现可重构手性边界态的新思路。研究团队利用电光调制在薄膜铌酸锂微环谐振腔中产生合成光子频率晶格，通过巧妙引入环内顺时针和逆时针两个旋向模式的耦合构建了频率-赝自旋二维合成光子体系 (图1)。特别地，利用两组方向相反的行波调制，可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.(a)-(b)合成频率-赝自旋二维光子体系原理示意图； (c)光子芯片显微图像。

通过引入可编程的光子规范势和耦合作用，研究团队在单一光子芯片中实现了多种新奇、可动态重构的手性边界态：(1)在频率-赝自旋二维合成光子体系引入频率模式的最近邻耦合和光子规范势，可构建具有对称手性边界态的Hall梯子模型(图2(a))，而在一个赝自旋对应的频率模式之间引入长程耦合则可使手性特征得到抑制，这起源于系统能带折叠导致的非定向态演化；(2)通过对频率模式之间的耦合进行调控，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”，由于其对称性被打破，从而实现了非平衡的手性边界特征(图2(b))；(3)同时在两组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2(c))。

图2.(a)合成Hall梯子、能带和手性电流；(b)合成“异质界面”、能带和非平衡手性电流；(c)合成“赝三维”Hall梯子和拓扑相变相图。

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奠定了坚实基础，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。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，武汉光电国家研究中心张驰教授为该工作高速示波器测量提供了重要支持。

此外，研究团队另一项关于光子合成维度Floquet高阶拓扑绝缘体的研究工作也于近期以“Polarization-Locked Floquet Higher-Order Topological Insulators in Synthetic Dimension”为题发表于Laser & Photonics Reviews，物理学院博士生刘卓雄为论文第一作者，刘为为副教授、王兵教授和陆培祥教授为论文通讯作者。

以上系列研究工作得到了国家自然科学基金委面上项目、创新研究群体项目和湖北省自然科学基金的资助。

论文链接：

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.134.143801

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/lpor.202401156