北京理工大學在非厄米拓撲電路和高階趨膚效應研究方面取得重要進展
發布日期：2021-12-13 供稿：物理學院 攝影：物理學院
編輯：王莉蓉 審核：姜艷 閱讀次數：
日前，北京理工大學物理學院張向東教授課題組和集成電路與電子學院孫厚軍教授課題組合作，在非厄米拓撲電路和高階趨膚-拓撲效應研究方面取得重要進展。相關研究成果發表在國際頂級期刊《Nature Communications》上。研究工作得到了國家自然科學基金委和國家重點研發計劃的資助。
與厄米系統相比，非厄米系統能夠展現出一些獨特的行為，如態分布往某一個方向上聚集，也就是趨膚效應。另外，在非厄米系統中通過設計參數也可以構造出拓撲態。最近的理論研究顯示：趨膚效應和拓撲態同時存在時會產生雜化效應，即雜化高階趨膚-拓撲效應。這種雜化效應特別有趣，它展示了一種高維新態，在厄米或非拓撲系統中是不存在的。其特點是拓撲局部化允許非厄米趨膚效應只作用于特殊拓撲模式，這大大增強了高維魯棒性的豐富性，超越了通常的高階拓撲現象，并引發了高階拓撲體邊緣定理的重新表達，適用于新的高階趨膚和拓撲各種相互作用。
由于體系的復雜性，實驗上需要在某個空間方向上構造出能展示拓撲局域的模式，而在另一個方向上使得這些拓撲模式展示趨膚效應。這導致了實驗觀察非常困難，所以這種現象從來沒被實驗觀測到。
近期，北京理工大學研究團隊設計出非厄米經典電路首次觀察到了雜化高階趨膚-拓撲效應。研究者通過拓撲電路平臺實現了二維和三維的雜化高階趨膚-拓撲態，并使趨膚效應選擇性地僅作用于拓撲邊界模，而不作用于體模。實驗是在專門設計的非互易2D和3D拓撲電路網絡上進行的，它展示了不可逆泵浦和拓撲局域化如何動態相互作用以形成各種新穎的態，例如2D趨膚-拓撲、3D趨膚-拓撲-拓撲雜化態、以及2D和3D高階非厄米趨膚態。這種電路設計方法具有高度通用且可擴展性。
圖1 (a)二維趨膚-拓撲效應實驗樣品圖。(b)二維二階趨膚效應實驗樣品圖。(c) 二維趨膚-拓撲效應能量分布圖。(d)二維二階趨膚效應能量分布圖。
圖1顯示了二維趨膚-拓撲效應的設計電路及測量結果。從圖1(c)可以清楚地看到，在左上角和右下角出現了較大的電壓幅值，在原胞中子晶格的振幅是不相等的。例如，在電路的左上角，只有原胞子晶格d具有較大的振幅，而相鄰的子晶格a和b具有非常小的振幅。這些在不同子晶格上的不均勻分布表明角模是由沿x和y方向的一維拓撲模的非互易趨膚效應引起的。由于缺乏完全的破壞性干擾，它們在局部是非互易的。這種子晶格對稱性的自發破缺以及由此產生的非互易性在拓撲模式中是普遍的，這導致了混合趨膚-拓撲模式。在圖2(d)中，角模由電路右下角的大振幅電壓表示。右下角不同子晶格處的電壓幾乎相同，這是典型的二階趨膚效應。
圖2 (a)和（b）三維趨膚-拓撲效應實驗樣品圖。(c)三維高階趨膚效應實驗樣品圖。(d) 三維趨膚-拓撲效應能量分布圖。(e)三維高階趨膚效應能量分布圖。
圖2展現了三維趨膚-拓撲效應的設計電路及測量結果，其電壓分布特性與二維結果相類似。也就是說，三維趨膚-拓撲雜化效應也被設計的電路實驗所證實。相關工作在Nature Communications上發表[Nat Commun 12, 7201 (2021)]。北京理工大學物理學院2016級博士生鄒德源(現為集成電路與電子學院博士后)和物理學院陳天副教授為論文的共同第一作者。集成電路與電子學院碩士生賀文靜和博士生包家誠，以及新加坡國立大學物理系Ching Hua Lee為論文的共同作者。北京理工大學物理學院陳天副教授和張向東教授以及集成電路與電子學院孫厚軍教授為論文通訊作者。
論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-021-26414-5
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