科研進展

從雙穩態到雙“更”穩態—葉芳偉課題組在拓撲光子學研究方向上取得新進展

你拿起一個計算器,輸入“2+6”,計算器會輸出“8”;過了一會兒,你又在這個計算器上輸入“2+6”,它依然會輸出“8”。這種靠譜的計算器——對于同一個輸入,它始終還給我們同一個輸出——我們稱之爲線性計算器或者線性系統。

有趣的是,世界上還存在另外一類看起來不那麽“靠譜”的系統(非線性系統):對于同樣的輸入變量A,它們可能輸出狀態B1,也可能輸出狀態B2。這樣的系統被稱作雙穩態系統。通過控制輸入變量的變化方向,雙穩態系統可以在輸出態B1和B2之間來回切換。具有雙穩態的器件是構建數字電路的基礎。光學研究者關注的光學雙穩態在實現高速的光開關、光存儲、光通信等方面具有十分重要的用途。

葉芳偉課題組將傳統的光學雙穩態和當前熱門的拓撲絕緣體的研究相結合,提出了具有拓撲保護的雙穩態系統。以半導體微腔作蜂窩狀排布的陣列作爲光學拓撲系統的一個具體實現(圖一),他們研究了系統的非線性響應對拓撲邊緣態的影響,發現了光學拓撲雙穩態(圖二)。由于傳統的光學雙穩態器件基于普

 

圖一:基于半導體微腔陣列構成的光學拓撲絕緣體結構,邊緣態繞著陣列的外圍沿順時針方向傳輸。由于系統的拓撲保護屬性,逆時針方向傳輸的邊緣態被禁止出現,因此,該邊緣態的傳輸具有十分穩定的單向性。

通模式(即未受拓撲保護)工作,因此,當結構受到一些擾動,結構可能會失去其穩定的開關特性。爲了解決該問題,課題組將承載雙穩態的模式改爲受拓撲保護的邊緣態模式,結果發現此類雙穩態結構高度穩定:即使系統受到強烈的擾動,也不影響其雙穩兩態的存在和來回切換(圖三)。由此,傳統的雙穩態走向了更加穩固的雙穩態!

圖二:光學雙穩態。可以看到,隨著輸入參數(光的頻率e)的變化,系統的模式輸出顯示了典型的磁滯回線的特征。圖中黑線表示對應的狀態是穩態,紅線表示對應的狀態是非穩態。因此,系統存在著雙穩態——基于拓撲邊緣態的雙穩態!

圖三:拓撲保護的雙穩態。爲了模擬系統受到的強擾動,我們將微腔陣列外圍的某個微腔拿掉(左),觀察此時系統中邊緣態的演化。可以看到,邊緣態(中)在演化過程中巧妙地繞過了該缺陷,最終形成了一個新的穩定的邊緣態(右圖)。這個結果反映了承載雙穩態操作的拓撲態的魯棒性。

该工作成果最近发表于Laser & Photonics Reviews。Laser & Photonics Reviews是光学领域的顶尖期刊之一(影响因子为 9.056)。这是叶芳伟课题组第二次在该刊发文。此次论文的第一作者是博士生张卫锋,合作者包括上海交通大学陈险峰教授、Dr Yaroslav Kartashov(俄罗斯)、Prof Dmitry Skryabin(英国)。课题组特别感谢国家自然科学基金委面上项目和上海市自然科学基金委面上项目对该工作的联合资助。

 

論文鏈接:https://doi.org/10.1002/lpor.201900198