近日，来自吉林大学和清华大学联合研究团队在飞秒激光直写拓扑光子芯片领域取得了新进展：研究人员在光子芯片上设计并制备了非阿贝尔索利斯光子泵，为观测非阿贝尔拓扑物理提供了新工具，并为在片上利用Wilczek–Zee和乐变换实现光子态及其路径的拓扑操控提供了新的技术路线。该研究成果以“Non-Abelian Thouless pumping in photonic waveguides”为题，以长文形式在线发表在《自然·物理》（Nature Physics）上。

    论文的通讯作者为清华大学精仪系孙洪波教授、吉林大学电子学院张旭霖副教授和田振男副教授；论文的共同第一作者为吉林大学的硕士生孙怡可、张旭霖副教授和余峰博士；吉林大学的陈岐岱教授为该论文的完成也做出了重要贡献。

    研究团队选择 Lieb 光子晶格作为研究对象，如图1a所示，系统有 N 个周期，每个周期内有 4 根波导。通过构造具有手征对称性的哈密顿量，可以保证该系统中始终保持 2N 个简并平带，即每个周期内包含 2 个简并光子态。通过在由耦合系数组成的参数空间上（图1c,d）设计耦合系数沿波导方向的变化，并把希尔伯特简并子空间上的简并光子态作为系统的输入，即可以对该光子态进行Wilczek–Zee和乐变换，实现光子态的非阿贝尔索利斯泵浦。研究团队利用飞秒激光直写技术在光学玻璃芯片中制备了该结构（图1b），并在参数空间内设计了几种不同的泵浦路径（论文中命名为P₁，P₂和P₃）。

图1 非阿贝尔索利斯光子泵的结构设计

    不同的泵浦路径可以实现不同的光子态转化路径以及几何相位矩阵，通过组合不同的泵浦方式，可以把输入的简并光子态绝热地泵浦到任意一个简并光子态（图2）。

图2 光子索利斯泵浦过程的理论分析与P₁和P₂泵浦过程的实验

图3 索利斯光子泵的非阿贝尔特性表征

图4 基于三个泵浦路径组合的非阿贝尔索利斯光子泵的实验

    为了表征该泵浦方式具有非阿贝尔特性，研究团队将 3 种泵浦方式进行组合，在实验上观测到不同的组合方式会产生不同的输出结果（图3，4），这证实了该索利斯光子泵的非阿贝尔特性以及与泵浦方式相关联的 Wilczek–Zee 和乐变换。

    更进一步，研究团队利用引入缺陷的实验证实了该非阿贝尔索利斯光子泵具有高鲁棒性，这是因为该 Wilczek–Zee 和乐变换是一个全局变换操作，因此希尔伯特空间内的拓扑特性可以在一定范围内免疫局部干扰，这为设计高鲁棒性的基于幺正矩阵变换的片上光子器件（如光互连器件）提供了新方案。

论文作者 | 孙怡可，张旭霖*，余峰，田振男*，陈岐岱，孙洪波*

完成单位 | 吉林大学，清华大学

Yi-Ke Sun, Xu-Lin Zhang, Feng Yu, Zhen-Nan Tian, Qi-Dai Chen, and Hong-Bo Sun, Non-Abelian Thouless pumping in photonic waveguides, Nature Physics (2022) DOI: 10.1038/s41567-022-01669-x.

以上内容来自中国光学。