在南加州大學的實驗室中，Mercedeh Khajavikhan設計了會在運輸光時改變其形狀的新結構，這在光子學領域創(chuàng)造了突破性的結構。該研究很重要，因為它會影響日常生活中使用的許多事物，包括用于成像和傳感的激光器，用于高級通信的光纖電纜以及將處理能力提高到前幾代人夢寐以求的水平的計算機芯片。

眾所周知，長距離和短距離的相互作用在物理科學的許多不同領域中起著舉足輕重的作用。這種相互作用自然會在Rydberg原子和離子系統(tǒng)中顯現出來，并且在Bose-Hubbard模型中可以顯著地改變金屬-絕緣體的躍遷。在拓撲物理學領域中，已沿著幾種理論前沿積極地探索了在系統(tǒng)的復雜交換常數（Jij≠Jji）中引入不對稱性的可能性，以期揭示新穎的效果和行為。在這方面，已經預測了許多有趣的拓撲現象，從量子異?；魻柡头呛彰滋仄つw效應，到波多黎各-納爾遜模型中的安德森躍遷，以及在沒有自旋的情況下高斯辛合奏的出現。

Haldane在1988年提出了一個原型晶格，其中由于不對稱的遠程交換相互作用而出現了拓撲相。這一主張為基于諸如自旋-軌道相互作用之類的拓撲絕緣材料的發(fā)現開辟了一條道路。然而，盡管取得了一系列突破性的進展，但直到今天，原始的霍爾丹晶格在固態(tài)物理學的背景下仍然是一種難以捉摸的晶體，并且尚未在實驗室中合成。使該系統(tǒng)和其他相關拓撲模型的實施具有挑戰(zhàn)性的是，難以在冷凝物中實現上述非對稱遠程交換機制。探索可以支持這種類型交互的替代平臺顯然很有趣。

迄今為止，光子學已提供了一個多功能的試驗臺，可通過人工規(guī)范場和合成維度來研究各種拓撲效應。但是，當前光子拓撲晶格中的大多數相互作用往往是最近鄰（NN）類型的并且是對稱的。理想的情況是，無論是對稱的/非對稱的還是短距離/長距離的，只要有建立任意互連的自由，那將是有益的。

什么是光子學？

光子學是一個相對較新的科學領域，已有100多年的歷史了。一切都與光有關：新型激光，全息流，傳輸信息的光，投射光并在整個結構中使用光的不同方法。關于在光學極限下改變結構，所有事物都應對稱。如果您超過了這一點，那么您將獲得新的機會來使光比標準激光器更有效地移動。

什么是“有源光子系統(tǒng)”？

有源光子系統(tǒng)是用于操縱光的材料，它們對現代生活的重要性比人們意識到的重要。在醫(yī)療設備中，它們可能用于改善感測和數據收集。當以半導體實現時，它們極大地提高了計算能力。它們在導航中起著重要作用，在該導航中，光子陀螺儀提供了改進的GPS功能。甚至可以操縱光以進行光學數據傳輸。實際上，某些新形式的扭曲光束可能會使我們目前的光纖速度完全過時。

在該研究中，研究人員展示了如何利用光學增益和非赫米特性來調整光子裝置中諧振元件之間的跳變遠距離交換。我們通過實施在其拓撲Chern體制中運行的Haldane晶格來證明這種方法。正如我們將要顯示的那樣，這種晶格的拓撲特征僅僅是由于非厄米性和非線性而表現出來的。在這方面，我們展示了有源光子系統(tǒng)在設計一類由光學增益唯一實現的拓撲晶格中的潛力。

▲圖1. Haldane晶體模型

a. Haldane晶格，其特征是兩個原子（A和B）以蜂窩狀排列。插圖顯示了晶胞。NN交換（黑色箭頭）是對稱的，而NNN跳躍（紅色和藍色箭頭）是不對稱的。b. 與霍爾丹模型相關的陳恩數體系。普通狀態(tài)的Chern數為C = 0，而拓撲狀態(tài)顯示的Chern數為C =±1。c. 瑣碎的（C = 0）域中的能帶結構，其中M = 0.25，t2 = 0. d，拓撲（C = +1）域中的能帶結構，其中M = 0.25，t2 = 0.2

▲圖2. 二元素和三元素亞基的實驗結果

a. 兩元素系統(tǒng)的示意圖設計。兩個帶有S形彎曲的單向微環(huán)諧振器通過鏈路耦合。相位由鏈路的長度確定。為了便于進行干涉測量，對每個環(huán)中的場進行采樣并發(fā)送到3 dB耦合器，每個輸出臂上都裝有一個光柵。b–d， =π/ 2（b）或 =π或2π（c）或 =3π/ 2（d）的強度分布的實驗結果。插圖顯示了輸出光柵處的光譜。當達到所需相位（ =π或 =2π）時，光譜表明存在兩種激光模式。e,i, 用于子晶格A（e）和子晶格B（i）的三元素系統(tǒng)的示意圖設計。相位由鏈路L的長度決定。在實驗中，僅抽出三個諧振器之一。f–h，j–l，子晶格A（f–h）和B（ j–l）。

▲圖3. a, b, 帶或不帶三角微環(huán)諧振器內部的電場的標準化大小 扇形耦合器。c. 具有耦合器和總線波導的諧振器的示意圖。d. 實驗結果 示出了基于帶有扇形耦合器的微環(huán)諧振器的激光器的單向性。

什么樣的公司對此研究感興趣？

光子學在眾多技術中都起著重要作用，因此您可以想象許多行業(yè)都對它感興趣。從通訊，運輸和國防到娛樂，健康和制造業(yè)的一切。很難想象許多工程領域不能直接從光子學研究中受益。您能想到的任何行業(yè)都將直接受益于更小，更智能，更具可編程性的技術-光子學對此至關重要。

一個特別突出的領域是半導體制造。今天，美國目前把控著芯片，這將對我們的經濟和安全產生重大影響。

▲Mercedeh Khajavikhan

本文來源：Yuzhou G. N. Liu et al. Gain-induced topological response via tailored long-range interactions, Nature Physics (2021).