本文由論文作者團(tuán)隊(duì)投稿

拓?fù)渥钤缙鹪从跀?shù)學(xué)上對(duì)幾何結(jié)構(gòu)的分類。近年來(lái)，拓?fù)涞母拍钜呀?jīng)滲透到物理學(xué)領(lǐng)域的各個(gè)分支，從早期電子的拓?fù)浣^緣體到現(xiàn)在的拓?fù)渎晫W(xué)、拓?fù)涔鈱W(xué)、拓?fù)潆娐返取?/p>

類比于固體物理中各種拓?fù)淙毕?，譬如點(diǎn)缺陷、位錯(cuò)、晶界、孔洞等，理論學(xué)家預(yù)言宇宙從大爆炸誕生、演化到現(xiàn)在，宇宙時(shí)空會(huì)經(jīng)過(guò)一系列量子相變過(guò)程，這種相變會(huì)導(dǎo)致時(shí)空真空?qǐng)龅耐負(fù)浣Y(jié)構(gòu)的改變從而產(chǎn)生各種拓?fù)淙毕荨?/p>

其中一維時(shí)空拓?fù)淙毕菥褪怯钪嫦?。人們開始嘗試尋找時(shí)空拓?fù)淙毕莸拇嬖谧C據(jù)，譬如早期宇宙中的宇宙弦產(chǎn)生的引力波。另一方面，基于近年來(lái)興起的變換光學(xué)，人們將這些宇宙學(xué)現(xiàn)象應(yīng)用到新穎光子器件的設(shè)計(jì)上，譬如類比黑洞光子微腔、引力透鏡啟發(fā)下的非衍射光束等。

(a) 狄拉克費(fèi)米子在宇宙弦附近演化示意圖；(b) 映射出變形石墨烯的二維點(diǎn)陣；(c) 飛秒激光直寫的波導(dǎo)陣列；(d) 軌道角動(dòng)量的光子在模擬宇宙弦的光子點(diǎn)陣中傳播；(e) 無(wú)軌道角動(dòng)量的光子在模擬宇宙弦的光子點(diǎn)陣中傳播。

鑒于此，南京大學(xué)物理學(xué)院介電體超晶格實(shí)驗(yàn)室劉輝、祝世寧課題組的盛沖與上海交通大學(xué)物理與天文學(xué)院金賢敏課題組的王耀受一維時(shí)空拓?fù)淙毕萦钪嫦覇l(fā)下，利用飛秒激光直寫技術(shù)制備了變形石墨烯的二維光學(xué)點(diǎn)陣，成功觀測(cè)到束縛的光子渦旋。

相關(guān)研究成果以“Bound vortex light in an emulated topological defect in photonic lattices”為題在線發(fā)表于Light: Science & Applications。該工作得到固體微結(jié)構(gòu)物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和人工微結(jié)構(gòu)科學(xué)與技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心的支持，國(guó)家自然科學(xué)基金重大項(xiàng)目"光子態(tài)的時(shí)空演化與應(yīng)用" (No.11690033)和科技部量子調(diào)控項(xiàng)目"人工微結(jié)構(gòu)中新奇量子、類量子效應(yīng)研究" (No.2017YFA0303702)的資助，在此表示感謝。

具體地，研究團(tuán)隊(duì)從具有規(guī)范場(chǎng)的宇宙弦時(shí)空下狄拉克方程出發(fā)，構(gòu)建出等效哈密頓量。進(jìn)一步，基于變換光學(xué)的思想，研究團(tuán)隊(duì)將這個(gè)等效的哈密頓量映射到二維變形石墨烯的光學(xué)點(diǎn)陣中，并借助于先進(jìn)的飛秒激光直寫工藝，在硼硅酸鹽玻璃刻畫出按需設(shè)計(jì)的該光學(xué)點(diǎn)陣。

研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)激發(fā)缺陷附近的單根波導(dǎo)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生束縛在缺陷附近的光子渦旋。更有意思的是，這種受宇宙弦啟發(fā)的二維光學(xué)點(diǎn)陣可以對(duì)入射軌道角動(dòng)量的光子進(jìn)行很好的束縛；而對(duì)于不攜帶軌道角動(dòng)量的光子將在該二維波導(dǎo)陣列進(jìn)行擴(kuò)散傳播。

相較于以往變換光學(xué)光子器件的設(shè)計(jì)僅僅考慮引力場(chǎng)的模擬，在該研究工作中，同時(shí)將引力場(chǎng)和規(guī)范場(chǎng)引入到光子器件的設(shè)計(jì)中，豐富了變換光學(xué)設(shè)計(jì)光子器件的手段。同時(shí)，這種受宇宙弦規(guī)范場(chǎng)啟發(fā)下的光子器件可以實(shí)現(xiàn)集成光子器件中軌道角動(dòng)量的甄別，可能用于未來(lái)光信息技術(shù)中軌道角動(dòng)量解復(fù)用技術(shù)。

| 論文信息 |

Sheng, C., Wang, Y., Chang, Y. et al. Bound vortex light in an emulated topological defect in photonic lattices. Light Sci Appl 11, 243 (2022).

https://doi.org/10.1038/s41377-022-00931-4

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