【產(chǎn)通社，8月23日訊】南京大學(xué)（Nanjing University）官網(wǎng)消息，李濤教授、祝世寧院士團隊與香港大學(xué)張霜教授團隊合作，在集成拓撲波導(dǎo)陣列的光場調(diào)控方面取得重要進展，揭示了量子度規(guī) (quantum metric) 與絕熱性 (adiabaticity) 之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)，提出了一種通過長程耦合來調(diào)節(jié)量子度規(guī)的新方法，并通過雙層硅波導(dǎo)陣列中成功演示了快速拓撲泵浦效應(yīng)。

一般而言，物理過程的絕熱性描述了系統(tǒng)在演化過程中保持瞬時本征態(tài)的能力。傳統(tǒng)的絕熱條件考察的是一對本征態(tài)之間的躍遷幅度。如果系統(tǒng)包含多個本征態(tài)，由于存在向所有其他本征態(tài)的多條躍遷路徑，評估特定占據(jù)本征態(tài)演化的絕熱性條件將變得異常復(fù)雜。此外，隨著研究的深入，人們逐漸將拓撲泵浦的研究拓展到多物理參數(shù)系統(tǒng)，如非線性、長程耦合、無序、以及非阿貝爾系統(tǒng)等等。對這些復(fù)雜泵浦過程的絕熱性的研究仍然在很大程度上未被探索。因此，發(fā)展出更方便、更簡潔的手段來描述絕熱過程具有重要意義。

在本研究中，研究團隊提出量子度規(guī)（quantum metric）作為評估物理過程絕熱性的新標(biāo)準。量子度規(guī)是量子幾何張量（quantum geometry tensor）的實部，能夠量化參數(shù)空間中兩個相鄰本征態(tài)之間的距離。通過嚴格的理論分析，研究人員證明了量子度規(guī)與絕熱條件表現(xiàn)為負相關(guān)。簡而言之，較小的量子度規(guī)值意味著系統(tǒng)的絕熱性能更佳。相較于傳統(tǒng)的絕熱指標(biāo)，量子度規(guī)只需關(guān)注占據(jù)本征態(tài)的演變，為復(fù)雜物理過程提供了一個更簡捷、高效的絕熱性判斷方法。為了直觀展示這一發(fā)現(xiàn)，研究團隊以引入次近鄰耦合的拓撲泵浦過程為例，結(jié)果表明次近鄰耦合能顯著降低泵浦過程中的量子度規(guī)，從而放寬了對系統(tǒng)絕熱性的要求。這意味著即使在參數(shù)迅速變化的系統(tǒng)中，也有可能保持絕熱性，進而實現(xiàn)高效的拓撲泵浦。

在實驗方面，團隊設(shè)計了一個具有可控層間及層內(nèi)耦合的雙層集成硅波導(dǎo)晶格結(jié)構(gòu)。這種設(shè)計有效地模擬了次近鄰相互作用，并在樣品中成功觀察到快速拓撲泵浦現(xiàn)象。傳統(tǒng)拓撲泵浦為了滿足絕熱條件需要較長的尺寸，而縮短尺寸會破壞絕熱條件，導(dǎo)致泵浦失�。�250μm）。然而，引入次近鄰耦合后，由于量子度規(guī)受到抑制，系統(tǒng)即使在較小尺寸下也能維持絕熱性，從而恢復(fù)拓撲泵浦過程（同樣為250μm)）。更有趣的是，研究發(fā)現(xiàn)不論是否存在次近鄰耦合，體態(tài)的演化模式完全相同，說明邊界拓撲泵浦并非僅由體態(tài)屬性所決定。

值得注意的是，在傳統(tǒng)拓撲理論中，貝里曲率是一個重要的物理量，它提供了一種幾何視角來理解量子系統(tǒng)。量子幾何（quantum geometry）理論指出，貝里曲率實際上是量子幾何張量的虛部，而其對應(yīng)的實部——量子度規(guī)，則相對較少被探討。當(dāng)前，量子度規(guī)可能引發(fā)的可觀測物理效應(yīng)仍處于探索階段。因此，本研究不僅揭示了量子度規(guī)的深層物理意義，還提出了一個基于光波導(dǎo)的實驗平臺，可通過拓撲泵浦過程探究量子度規(guī)的物理特性，這對于深入理解量子度規(guī)的物理本質(zhì)及其潛在應(yīng)用具有重要價值。此外，與以往光子集成平臺的單層架構(gòu)相比，此研究成功開發(fā)了雙層光子集成平臺，實現(xiàn)了層間的穩(wěn)定光傳輸，將芯片上光子集成拓展至準二維甚至三維空間。這一進展將進一步提升光子集成器件的集成度，并為納米尺度上的復(fù)雜光子操控提供了新的維度。

該成果以“Fast topological pumps via quantum metric engineering on photonic chips”為題發(fā)表于Science Advances 10, eadn5028 (2024)) 上。該論文共同第一作者是南京大學(xué)副研究員宋萬鴿博士和香港大學(xué)游歐波博士，通訊作者為南京大學(xué)李濤教授及香港大學(xué)張霜教授，該工作得到祝世寧院士的悉心指導(dǎo)。該研究得到了科技部國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金委、新基石科學(xué)基金會、香港研究資助局、南京大學(xué)登峰人才計劃等項目的支持。

查詢進一步信息，請訪問官方網(wǎng)站http://www.nju.edu.cn，以及https://www.science.org/doi/full/10.1126/sciadv.adn5028。（Robin Zhang，產(chǎn)通數(shù)造）    （完）