中国科学院 一个耦合环形谐振器阵列(绿色)，每个谐振器都有一个嵌入式电光调制器(橙色)
b、实维度和合成维度的对应点阵，分别为x和频率
晶格表现出更高阶的拓扑行为，例如角模式的存在
实现四阶拓扑绝缘体的实空间结构
(d)实空间和合成空间中对应的格是超立方体(四维立方体)，其中内部3D立方体对应于(c)中的环的底部，外部立方体对应于(c)中的环的顶行
作者:艾维克·杜特，莫姆奇尔·明科夫，伊恩·阿
D
威廉森和范善辉 拓扑绝缘体是一个令人兴奋的研究领域，具有基础兴趣和实际应用，如电子和光的鲁棒传输，以及拓扑量子计算
这种传统拓扑绝缘体的标志是存在导电的边界模式，其一维度低于容纳它们的绝缘体系统——例如，在二维系统边界的一维边缘模式，或在三维系统边界的二维表面状态
2017年，科学家们推广了这个概念，以预测一种叫做高阶拓扑绝缘体(HOTIs)的新物质相，它支持“角模式”——e
g
二维系统中的零维模式
从那时起，已经有几个新的HOTI阶段的实验演示，其中大部分涉及复杂的几何图形
此外，这些以前的系统是固定的——我
e
一旦它们被制造出来，就不能动态地切换或调整它们的高阶拓扑行为
在《光科学与应用》杂志上发表的一篇新论文中，由美国斯坦福大学的范善辉教授及其同事领导的一个科学家团队提出了一种方法，利用一种称为“合成维度”的新兴概念，以更简单的结构和动态可调的方式实现这种高阶拓扑和角态
通常，像光子和电子这样的粒子被假定沿着三个方向移动——x、y和z，或者长度、宽度和深度
如果人们可以想象光子在这三个“真实”方向之外的运动呢？该团队称这些额外的运动方向为“合成维度”
' 为了实现从三个真实维度到合成维度的概念飞跃，他们利用了所有光子固有的内部属性——光的频率或颜色，它决定了光子携带多少能量
斯坦福团队和其他团队之前的工作已经使用合成维度的概念展示了传统的(一阶)拓扑相位，包括有趣的物理现象，如量子霍尔效应
然而，到目前为止，高阶拓扑仍然不在合成维度的范围之内，尽管热现象的高维本质非常适合合成维度的概念
为了构建更高阶的拓扑绝缘体，研究人员建议使用一组环形谐振器，它们以特定的排列方式相互耦合
每个环形谐振器本质上都是一根透明材料制成的细线，绕在自己身上，这样光子就可以绕着这个环转很多次
一对两个相同的环形谐振器一起形成一个“光子分子”，就像两个氢原子形成一个双原子分子一样
通过沿线排列多个这样的光子分子，可以形成光子的二阶拓扑绝缘体
就像在真实维度中，人们可以控制光子是向右还是向左移动(比如在x方向)，环形谐振器可以在合成维度中控制光子在频率上是向上还是向下移动
这种频率上的移动是通过另一种被称为调制器的光子元件实现的——这种器件可以高速改变材料的折射率，使其成为当今光通信网络的关键
接下来，该团队预测了通过向光子分子组发送特定频率的激光，如何在该系统中看到高阶拓扑的标志——拐角模式
对于这些角模式，光被限制在由一个实维度和一个合成频率维度组成的二维结构的角上，并且在结构的其余部分几乎没有光
“合成尺寸的一大优势是可以灵活控制各种旋钮来调节系统参数
通过控制施加到光子分子中调制器的电子信号的强度和定时，我们展示了如何打开和关闭这些拐角模式
换句话说，您可以动态地将系统从高阶拓扑切换到无拓扑
这种能力在典型的电子或光子系统中是无与伦比的，”作者说
利用合成维度，人们可以想到构建非常高维的拓扑绝缘体，这在现实空间中很难构建，甚至难以想象，因为我们生活在一个三维世界中
例如，该团队在四维系统中构建了一个四阶拓扑绝缘体，这是以前没有预测过的，因为它超出了三维真实空间的范围
“我们的配方展示了如何使用合成维度在更简单的系统中实现非常复杂的高维现象，包括超高阶拓扑绝缘体和其他奇异的光和物质相位，并几乎随意地动态控制它们的属性
科学家补充道:“这一概念的实验实现完全在当前最先进的光子技术的范围之内。”
来源：由phyica.com整理转载自PH，转载请保留出处和链接！
