【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】日前，吉林大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院、集成光電子學(xué)國家重點實驗室陳岐岱教授團隊在《自然·通訊》(Nature Communications 15,9311(2024))上發(fā)表題為“Two-dimensional non-Abelian Thouless pump”的研究論文。該工作設(shè)計并制備了二維非阿貝爾索利斯泵立體光芯片，為片上高魯棒性光互連和光計算等應(yīng)用提供了解決方案。
 

　　索利斯泵可以通過絕熱變化的周期性勢能實現(xiàn)粒子的量子化傳輸，其過程受到系統(tǒng)希爾伯特空間拓撲性質(zhì)的保護，所獲得的貝里幾何相位矩陣具有全局效應(yīng)。因此，該傳輸過程對局部干擾具有免疫性，相應(yīng)的器件表現(xiàn)出高魯棒性。近年來，非阿貝爾物理被引入索利斯泵的設(shè)計，催生了非阿貝爾索利斯泵。基于非阿貝爾和樂原理，器件的輸入輸出之間通過Wilczek-Zee連接和幾何相位矩陣相互關(guān)聯(lián)，導(dǎo)致最終結(jié)果取決于泵浦的順序，即非交換性。非阿貝爾索利斯泵的特性使其在光子學(xué)中，特別是光互連和光計算等領(lǐng)域展現(xiàn)出了十分重要的潛力。然而，當(dāng)前的非阿貝爾索利斯泵僅為一維系統(tǒng)，高維非阿貝爾索利斯泵的研究仍處于探索階段。推動非阿貝爾和樂原理向高維發(fā)展，不僅有助于研究高維拓撲系統(tǒng)中的非阿貝爾物理現(xiàn)象，更能夠進一步擴展其在光子學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用。
 

　　針對上述問題，研究團隊首先在理論上通過兩個阿貝爾群的直積，生成了與二維非阿貝爾索利斯泵相關(guān)的非阿貝爾群，并從群的角度揭示了一維阿貝爾索利斯泵、一維非阿貝爾索利斯泵以及二維非阿貝爾索利斯泵的群表示。考慮到芯片的實際架構(gòu)，研究團隊設(shè)計了具有6個光波導(dǎo)組成原胞的二維光波導(dǎo)陣列，通過調(diào)控波導(dǎo)間的耦合系數(shù)并輸入簡并光子態(tài)，即可以對光子態(tài)進行Wilczek–Zee和樂變換，實現(xiàn)光子態(tài)的二維非阿貝爾索利斯泵浦。研究團隊設(shè)計了兩種不同的光子態(tài)轉(zhuǎn)化路徑，通過對輸出光場的光強分布進行表征，可以得到每種泵浦模式對應(yīng)的幺正矩陣。通過組合不同的泵浦方式，可以把輸入的簡并光子態(tài)絕熱地泵浦到任意一個簡并光子態(tài)。為表征這種二維索利斯泵的非阿貝爾特性，研究團隊以不同的順序連接兩種泵浦，觀察到不同的組合方式會對最終的輸出結(jié)果產(chǎn)生影響，這證實了器件的非阿貝爾特性和與泵浦方式相關(guān)聯(lián)的幺正矩陣變換。更進一步，研究團隊利用引入了缺陷的實驗證實了這種二維非阿貝爾索利斯泵具有魯棒性：在傳播常數(shù)或耦合系數(shù)存在擾動時，由于器件受到拓撲保護，光子態(tài)運輸?shù)穆窂娇梢悦庖呔植扛蓴_。該器件可充分利用立體光芯片的三維特性實現(xiàn)光子態(tài)的拓撲傳輸，為片上高魯棒性光互連和光計算等應(yīng)用提供了解決方案。
 

圖：二維非阿貝爾索利斯泵的設(shè)計及泵浦實驗結(jié)果
 

　　上述研究成果的唯一完成單位是吉林大學(xué)。論文的第一作者為電子學(xué)院博士研究生孫怡可，共同通訊作者為電子學(xué)院張旭霖教授和田振男教授。本工作得到了國家自然科學(xué)基金等項目的支持。