對(duì)稱性的破缺與強(qiáng)化是設(shè)計(jì)拓?fù)漪敯粜圆牧系年P(guān)鍵要素。在電子和微波系統(tǒng)中，磁場(chǎng)可打破時(shí)間反演對(duì)稱性，從而構(gòu)建陳絕緣體。相比之下，在光學(xué)頻率下，天然材料無法對(duì)磁場(chǎng)產(chǎn)生響應(yīng)，這對(duì)拓?fù)湓鰪?qiáng)型器件的規(guī)模化應(yīng)用構(gòu)成了挑戰(zhàn)。

近日，英國 巴斯大學(xué)Nathan Roberts， Peter J. Mosley，Anton Souslov等在Nature Photonics上發(fā)文，研究利用摻鍺多芯光纖的天然幾何結(jié)構(gòu)，通過在制備過程中扭轉(zhuǎn)光纖，構(gòu)建了可擴(kuò)展的光子陳絕緣體。

光纖內(nèi)部的扭轉(zhuǎn)打破了等效時(shí)間反演對(duì)稱性，并誘導(dǎo)產(chǎn)生贗磁場(chǎng)——這一現(xiàn)象通過光子朗道能級(jí)得以實(shí)驗(yàn)觀測(cè)。這種扭轉(zhuǎn)光纖，會(huì)通過有效折射率的拋物型分布，引入競(jìng)爭(zhēng)性的拓?fù)淦茐男?yīng)。

通過仿真指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)材料設(shè)計(jì)，還發(fā)現(xiàn)了"黃金區(qū)域Goldilocks"參數(shù)區(qū)間：在該區(qū)間內(nèi)實(shí)空間陳數(shù)得以存續(xù)，從而保證了適用于任何對(duì)稱類別的制備無序，都具有拓?fù)浔Ｗo(hù)。

圖1：扭轉(zhuǎn)光纖概述

圖2：拓?fù)涔饫w中，強(qiáng)度邊緣局域化

圖3：光纖拓?fù)湫再|(zhì)的數(shù)值表征

圖4：拓?fù)湫再|(zhì)

圖5：拓?fù)涔饫w中，針對(duì)無序的拓?fù)浔Ｗo(hù)

實(shí)驗(yàn)采用“堆疊-拉制"法，在純石英包層中排布多個(gè)高摻鍺芯子，形成蜂窩狀晶格。拉絲過程中旋轉(zhuǎn)預(yù)制棒，使光纖凍結(jié)恒定的扭轉(zhuǎn)率。在隨動(dòng)坐標(biāo)系中，等效于引入了矢量勢(shì)，即人造磁場(chǎng)，從而打開了拓?fù)鋷丁＠霉饫w的天然幾何特性，實(shí)現(xiàn)了可規(guī)模化的光子陳絕緣體，在光纖中實(shí)現(xiàn)有效時(shí)間反演對(duì)稱性破缺與贗磁場(chǎng)的實(shí)驗(yàn)觀測(cè)。通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（而非材料本身屬性）可以賦予經(jīng)典波體系以非平庸的拓?fù)漪敯粜浴?/p>

參考文獻(xiàn)： 中國光學(xué)期刊網(wǎng)

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