JPhys Photonics研究路线图|拓扑光子学路线图

文章介绍

Hannah Price, Yidong Chong, Alexander Khanikaev, Henning Schomerus, Lukas J Maczewsky, Mark Kremer, Matthias Heinrich, Alexander Szameit, Oded Zilberberg,Yihao Yang, Baile Zhang, Andrea Al`u, Ronny Thomale, Iacopo Carusotto, Philippe St-Jean, Alberto Amo, Avik Dutt, Luqi Yuan, Shanhui Fan, Xuefan Yin, Chao Peng, Tomoki Ozawa and Andrea Blanco-Redondo

通讯作者：

• Hannah Price，英国伯明翰大学
• Yidong Chong，新加坡南洋理工大学
• Alexander Khanikaev，美国纽约市立学院

研究背景：

在过去的十年里，拓扑光子学已经成为探索和开发拓扑效应最有前途的平台之一。拓扑相、拓扑不变量和拓扑相变的研究起源于凝聚态物理研究领域。2005年，研究者发现光子晶体 (PhC) 可以表现出类似于霍尔边界态的光模式。随后，拓扑态在各类光学平台上陆续实现，包括微波PhCs、波导阵列等。由此，拓扑光子学进入了蓬勃发展时期，逐渐成为基础拓扑物理研究的前沿。除了对于凝聚态物理中已实现的拓扑现象的复现，拓扑光子学也具有很多独特的研究内容与成果。相比于电子系统，光子系统具有许多独特性质，如非线性光学效应以及有源光学介质中的增益和损耗等，这些特性将拓扑物理学拓展到非线性和非厄米领域。光的另一个特性是可以与各类激发相互作用，如半导体中的激子，磁子中的磁振子等。由此，拓扑极子领域也应运而生。此外，相比于天然材料，光学材料及光子平台在实现具有特殊对称性的复杂晶格上具有巨大优势。因此，随着人们对更精细拓扑效应的兴趣的增长，拓扑光子学的重要性将继续上升。拓扑光子学是一个广泛的、跨学科的研究领域。本篇研究路线图介绍了目前拓扑光子学的主要研究成果，并总结了在未来几年内，该领域的主要探索方向，新兴趋势，以及面临的主要挑战。

研究内容：

研究路线图从以下三个方面总结了拓扑光子学的研究成果及未来发展方向：

• 探索新的拓扑相位

首先，光学系统被用来探索新的拓扑效应，尤其是在天然结构或材料中难以实现的拓扑相，这是拓扑光子学的核心内容。在这一部分，文章首先概述了光子系统中的合成规范场。在拓扑光子学中，合成规范场是非均衡物理、非线性、非厄米性以及量子效应的研究基础。作为非均衡物理的范例，文章介绍了在光学系统中利用周期性时间调制构造的Floquet能带及其拓扑相。时间调制也被用来实现光子系统中的拓扑泵浦（pumping），后者为探索拓扑深层特征提供了光学实验方法。最后，文章讨论了3D拓扑光子学的发展和机遇。

• 表征新的光学现象

拓扑光子学涵盖了对于光学系统中独有的拓扑现象的描述。传统能带拓扑的标准理论适用于线性的非交互性厄米系统，如工作在低强度光下的无源光子器件。对于非线性、非厄米或具有强相互作用的系统，光子拓扑态的特性会发生剧烈改变。在这一部分中，文章首先讨论了光学非线性、非厄米性以及强相互作用对光学系统中拓扑态的影响，并介绍了许多新奇的拓扑相，例如光的分数量子霍尔态。此外，文章介绍了拓扑微腔极子及其性质。最后，文章介绍了合成高维空间中的拓扑光子态。利用额外耦合自由度，引入人工合成维度，研究者可以人为地模拟高维空间，进而实现新型高维拓扑模型。

• 激发新的光学应用

拓扑模式对各种形式的系统紊乱（如工艺缺陷）具有鲁棒性，在实际应用中具有巨大潜力。相比于传统凝聚态系统，光学系统具有易实现、灵活可调等优势，使得光子拓扑态具备了真正应用的可能性。在这一部分，文章介绍了三个具有巨大潜力的研究领域。首先，文章讨论了拓扑保护的连续区束缚态 (BIC)。BIC作为新兴的光捕获方法，在激光器、滤光片和传感器中具有广泛的应用。对BIC的拓扑诠释加深了对于光学辐射调控的理解和研究，拓扑保护则使得BIC进一步具备了工艺鲁棒性。此外，文章描述了拓扑激光器，使用拓扑边界态产生的激光的性能可能优于传统激光器。最后，文章探讨了如何使用拓扑来保护量子态和量子纠缠，及其在量子计算和光量子信息中的可能应用。

• JPhys Photonics（JPPHOTON）是一本新出版的开放获取期刊，面向物理学中应用于光子学各个领域的高质量研究。期刊包含光子学研究中最重要和最激动人心的进展，着重关注跨学科和多学科的研究。涵盖领域包括：生物光子学和生物医学光学；能源和绿色技术应用，包括光伏；成像、检测和传感；光物质相互作用；光源，包括激光器和LED；纳米光子学；非线性和超快光学；光通信和光纤；光数据存储；光电子学、集成光学和半导体光子学；光子材料、超材料和工程结构；等离子体技术；传播，相互作用和行为；量子光子学和光学等。