研究人员在拓扑学相位研究中发现重大突破
发布时间：2023-06-12 08:00:00 阅读数： 26
由中国南开大学、克罗地亚萨格勒布大学和加拿大国家科学研究院（INRS）的罗伯托-莫兰多蒂团队领导的一个国际研究小组在对拓扑相的理解上取得了重大进展。
对称性保护的拓扑相（SPT相）中的扰动进行分类的示意图。由红线、灰线和绿线围成的重叠区域代表对称保护的拓扑相，具有拓扑不变性和相应的拓扑边界状态。灰色线是一组影响边界状态但不破坏整个系统的拓扑不变性的扰动。红线和绿线区域显示的是受其分别相关的子对称性保护的边界状态。图中的例子显示了两组满足亚对称性的扰动，但破坏了整个系统的拓扑学不变性。在这种情况下，亚对称性保护了边界状态。图片来源：Domenico Bongiovanni和合作者
他们的研究最近发表在自然出版集团的《自然-物理》杂志上。
由于其在操纵光的同时实现高性能的耐久性和稳定性的特殊潜力，拓扑光子学在过去10年里获得了越来越多的关注。
由于拓扑光子学的发现，一类新的光子设备，包括拓扑激光器和腔体，具有不受缺陷和疾病影响的拓扑保护状态，已经成为可能。
术语 "拓扑学 "是从数学中借来的，它被用来研究一个物体的几何特征，涉及到在连续变形过程中保持的数值。
当两个物体的表面可以连续变形为彼此，反之亦然，它们被称为拓扑学上的相似。例如，从拓扑学的角度来看，一个环形和一个咖啡杯是等价的。
通过使用拓扑学的思想来描述能带特性，有可能预见物理学中新的物质拓扑状态和不同的拓扑材料。
不同的拓扑阶段（琐碎的和非琐碎的）是通过适当地引入量化的拓扑不变量来区分的，这允许在体质特性和这些材料的边界上出现的特征之间建立联系，称为 "体质-边界对应"。
由独特的空间和/或内在对称性保护的弹性拓扑边界状态的存在是这方面非微观拓扑的最突出的属性。
一般来说，人们认为在具有对称保护的拓扑相（SPT相）的系统中，拓扑边界状态、拓扑不变量和一个或多个整体对称性之间的密切联系是维持拓扑保护免受扰动的需要。
因此，任何破坏基础对称性的变形都会对拓扑不变性和拓扑边界状态产生不可逆的影响。
多国研究小组在这项研究中挑战了这一以往的普遍概念，因此拓宽了我们对SPT边界状态的认识。
他们发现，即使系统不再包含量化的拓扑不变性和某些类型的全局对称性，拓扑边界态仍然可以存在于相关的子空间，被 "子对称性 "屏蔽。
我们的发现挑战了拓扑学中受对称性保护的拓扑相的普遍思维，并更新了拓扑不变量和边界态的对应关系。我们的想法有可能解释许多非常规状态的拓扑学起源，并可以在不同的平台和物理系统中找到应用。
多梅尼科-邦乔瓦尼，研究调查员，国家科学研究院的博士后研究员
研究人员通过开发和研究亚对称性的概念，发现传统意义上的全局对称性对于保护拓扑边界状态并非完全必要。
在这方面，只要满足了特定子空间的对称性，即使一般的拓扑不变性不再存在，拓扑边界状态也会被保留。
为了满足不同子空间对称性的约束，研究小组有效地设计和生产了光子晶格结构，使用了cw激光写入方法。
该测试使用两种最常见的拓扑格子建立了概念证明：一维SSH格子和二维Kagome格子。
此外，该团队率先将长程耦合对称性的概念引入Kagome晶格模型，解决了现有关于Kagome晶格中高阶拓扑态的存在和拓扑保护的争论。
这项工作为许多物理背景下的拓扑态研究和应用提供了新的视角，同时也挑战了对受对称性保护的拓扑态的传统理解。
这项工作的结果预计将对拓扑光子学的发展及其前沿多学科的发展产生积极影响，并对基于亚对称性保护的边界态的一类新的拓扑光子器件的研究和创造产生积极影响。
关于本研究
王梓腾、王向东、胡志勤、Domenico Bongiovanni、Dario Juki、唐立勤、宋道宏、Roberto Morandotti、陈志刚和Hrvoje Buljan在《自然-物理》杂志上发表了题为 "亚对称性保护拓扑态 "的工作。
中国国家重点研发计划、中国国家自然科学基金、克罗地亚政府和欧盟通过QuantiXLie卓越中心、加拿大自然科学与工程研究委员会（NSERC）和加拿大研究主席计划（CRC）都为这项研究提供了资金支持。
参考资料：Wang, Z., et al. (2023) Sub-symmetry-protected topological states. Nature Physics. doi:10.1038/s41567-023-02011-9
