我国学者与海外合作者在拓扑量子物态研究方面取得进展

　　

图 波导量子电动力学体系的能带、反能带和拓扑相图

(a) 波导量子电动力学体系的示意图；(b) 不连续的能带；(c) 连续的反能带；(d) 拓扑相图；(e) 标度不变的局域态；(f) 标度不变的局域态（黄色）在反能带的分布；(g) 反射率随光子频率的变化，其中阴影区域表示光子频率扫过的亚辐射反能带区域；(h) 光子频率扫过一个亚辐射反能带时，光子散射纹理形成的轨迹位于一个平面

　　在国家自然科学基金项目（批准号：12025509、12275365）等资助下，深圳大学李朝红、中山大学柯勇贯与澳大利亚国立大学Yuri Kivshar等人组成的联合研究团队在波导量子电动力学的拓扑量子物态研究方面取得了进展。研究成果以“量子电动力学体系中的拓扑反能带理论（Topological Inverse Band Theory in Waveguide Quantum Electrodynamics）”为题，于2023年9月8日发表于《物理评论快报》（Physical Review Letters）。论文链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.131.103604。

　　拓扑能带理论是研究拓扑量子物态的一个强大工具，理解拓扑特性对光与原子相互作用的影响，对开发拓扑保护的光量子器件具有重要意义。波导电动力学体系(图a)是波导与原子耦合的混合量子体系，结合了光子波导和原子各自的优势，可作为量子信息传输、存储与处理的基本组成单元和关键节点。然而，由于光子协助的长程激发子耦合使相应的激发子能带分裂为两个不连续的分支(图b)，拓扑能带理论不适用于波导电动力学体系。发展新的理论来研究波导量子电动力学体系中的拓扑量子物态成为一个迫切的需求。

　　研究团队发现激发子能量的倒数随晶格动量的变化会形成连续的反能带(图c)。通过计算反能带的拓扑贝里相位，发现由入射光子频率（ c/d）驱动的拓扑相变(图d)，这与现有理论中由电子材料结构决定的拓扑相形成鲜明的对比。此体系存在独特的体边对应关系：在拓扑非平庸的情况下，标度不变的局域态(图e)分布在单个反能带；而在拓扑平庸的情况下，标度不变的局域态分布在两个反能带（图f）。当入射光子频率扫过一个亚辐射反能带时(图g)，光子散射的纹理形成的轨迹位于一个平面(图h)，该轨迹会缠绕垂直于该平面并且穿过原点的轴。

　　本研究针对波导量子电动力学体系提出了拓扑反能带理论，揭示了体系中无法用拓扑能带理论刻画的拓扑量子物态，为理解混合量子体系的拓扑量子物态提供了新的视角，将激发人们对光与物质相互作用中的拓扑现象的进一步研究。