科学家观察到光子晶体中的新奇异象

一张图显示了围绕着称为异常点（红色点）的一对特征的异常拓扑景观，显示了费米弧（中心为粉红色线）的出现，以及形成莫比斯条纹状纹理的奇异极化轮廓（顶部）和底部条）。

拓扑效应（例如在表面导电但表面不导电的晶体中发现的拓扑效应）是近年来物理学研究的一个令人兴奋的话题，并且是2016年诺贝尔物理学奖的主题。现在，麻省理工学院和其他地方的一组研究人员已经在另一类系统中发现了新颖的拓扑现象-开放系统，其中能量或材料可以进入或释放，而封闭系统则与外界没有这种交换。

研究小组说，这可能会开辟一些基础物理学研究的新领域，并可能最终导致新型激光器和其他技术的发展。

最近的MIT研究生Hengyun“ Harry” Zhou，MIT的访问学者Chao Peng（北京大学教授），MIT的研究生Yoseob Yoon，最近的MIT毕业生Bo Zhen和Chia的论文在本周的《科学》杂志上报告了这一结果。徐H，麻省理工学院教授MarinSoljačić，弗朗西斯·赖特·戴维斯（Francis Wright Davis）物理教授，约翰·乔安普普洛斯（John Joannopoulos），哈斯拉姆·杜威（Haslam and Dewey）化学教授基思·尼尔森（Keith Nelson），劳伦斯C.

Soljačić说，在拓扑物理效应领域的大多数研究中，所谓的“开放”系统（以物理学术语来说，称为非赫米特系统）在实验工作中并未得到太多研究。测量或分析现象（其中可以通过辐射添加或损失能量或物质）所涉及的复杂性，通常使这些系统更难以以受控方式进行研究和分析。

但是在这项工作中，研究小组使用了一种使这些开放系统可访问的方法，并且“我们在这些非Hermitian系统中发现了有趣的拓扑特性，” Zhou说。特别是，他们发现了两种特定类型的效果，它们是非Hermitian系统的独特拓扑特征。其中一种是被称为整体费米弧的能带特征，另一种是用于研究的光子晶体发出的不寻常的偏振或光波方向变化。

光子晶体是在其中制造数十亿个形状和方向非常精确的小孔的材料，从而导致光以不同寻常的方式与该材料相互作用。已经积极研究了此类晶体的光与物质之间的奇异相互作用，从而为新型的基于光的计算系统或发光设备提供了潜力。研究人员说，尽管许多研究都是使用封闭的Hermitian系统完成的，但大多数潜在的实际应用都涉及开放系统，因此，该团队的新观察结果可能会开拓全新的研究领域。

费米弧线是该小组发现的独特现象之一，违背了通常的直觉，即能量轮廓必定是闭合曲线。以前在封闭系统中已经观察到它们，但是在那些系统中，它们始终在三维系统的二维表面上形成。在这项新工作中，研究人员首次发现了存在于系统主体中的费米弧。大量的费米弧在发射方向上连接了两个点，这些点称为例外点-开放拓扑系统的另一个特征。

他们观察到的另一种现象是一个光场，在该光场中，偏振方向根据发射方向而变化，随着沿着环路的方向逐渐变回原来的方向，它逐渐形成半扭曲。“当您绕过该晶体时，光的偏振实际上会发生翻转，” Zhou说。

他解释说，这种半缠绕类似于莫比乌斯带，在这种情况下，将一条纸扭曲半圈，然后再将其连接到另一端，从而形成仅一侧的带子。珍表示，这种偏振态类似于莫比乌斯的扭曲在理论上可能导致增加通过光纤链路发送的数据量的新方法。

Soljačić说，新作品“主要是科学兴趣，而不是技术兴趣”。Zhen补充说：“现在我们有了这项非常有趣的技术来探究非Hermitian系统的特性。”他们说，但是这项工作还可能最终导致新的设备，包括新型的激光器或发光设备。

许多相同小组成员的早期研究使新发现成为可能，他们发现了一种使用从光子晶体散射的光产生直接图像以显示材料能量轮廓的方法，而不必计算这些能量轮廓。间接轮廓。

Soljačić说：“我们有预感”，这种半扭曲的行为是可能的，并且可能“非常有趣”，但实际上要找到它，就需要“相当多的努力，我们如何做到这一点？”

宾夕法尼亚大学物理学助理教授Mikael Rechtsman说：“也许这项工作最巧妙的方面是，作者利用这样的事实，即他们的系统必须丢失光子（通常是一个障碍和烦恼），才能访问新的拓扑物理学。”没有参与这项工作的州立大学。“要想避免…这种损失，就需要非常复杂的3D制造方法，而这可能是不可能的。”他说，换句话说，他们开发的技术“使他们能够获得传统上认为是不可能的二维物理学。”

这项工作得到了陆军研究办公室通过士兵纳米技术研究所的支持； S3TEC，由美国能源部资助的能源前沿研究中心；美国空军；和国家科学基金会。

出版物：周恒运等，“从成对的奇异点观察大量费米电弧和极化半电荷”，《科学》，2018年； DOI：10.1126 / science.aap9859