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非互易拓扑电路中的非厄米趋肤效应|英国伯明翰大学张霜教授、东南大学崔铁军院士、湖南大学项元江教授合作进展

科技工作者之家 04月30日

研究背景

近十年来,拓扑材料逐渐成为凝聚态领域的一个研究热点,它是一种具有拓扑性质的全新材料,包括了拓扑绝缘体、拓扑半金属等,这些材料的内部处于绝缘态,但表面拥有由体系对称性或时间反演对称性保护的拓扑表面态,可沿材料表面无散射传播,并且对体系缺陷和晶格乱序具有高度的鲁棒性,因此在自旋电子学、拓扑量子计算、芯片级光导传输等领域存在潜在的应用前景。

一直以来,人们认为拓扑绝缘体表面态的性质完全取决于材料内部的参数,这被称作‘体-边对应原则’(bulk-boundary correspondence)。2018年清华大学姚顺宇[PRL,121,086803]等人发现在具有非互易效应的非厄米拓扑绝缘体中,‘体-边对应原则’不再成立,即体系在开放边界条件和周期边界条件时的能带结构不一致,该工作引起了拓扑电子学领域学者的广泛关注,掀起了非厄米拓扑绝缘体的研究热潮。


研究进展

近日,英国伯明翰大学张霜教授、东南大学电磁空间科学与技术研究院崔铁军院士和湖南大学项元江教授合作,利用运算放大器在电路上构建了一种具有非互易效应的非厄米拓扑电路,实验验证了该非厄米电路在开放边界条件和周期边界条件下能带结构不一致的现象。研究成果以“Non-Hermitian skin effect in a non-Hermitian electrical circuit”为题,于2021年3月15日发表在Science的合作期刊Research上。论文通讯作者为崔铁军院士、张霜教授、项元江教授,第一作者为英国伯明翰大学玛丽居里学者刘硕博士;合作者包括东南大学邵睿文、张磊、吴浩天博士,英国伯明翰大学马少杰、游欧波博士。

该非互易拓扑电路的理论模型如图1a所示,每个单元包含两个原子A和B,它们之间通过非互易耦合连接,即从A到B和从B到A的耦合系数不相等。图1b为该模型的电路实现,其中每个原子由LC谐振电路构成。为了在电路中实现非互易耦合,作者引入了由运算放大器构建的电压跟随器(图1c),该模块常见于各种电路设计,可将输入端的电压高保真地传输到输出端而几乎不汲取电流,因而可用于实现单向耦合。

未来展望

拓扑电路的研究自2015年首次提出以来,便逐渐受到拓扑电子学领域学者的广泛关注。在电路中研究拓扑材料有诸多优势,这得益于电路中任意节点之间的耦合可通过导线直接相连,由此可以构建光学或电子体系中无法实现的特殊耦合,实现四维甚至更高维度的拓扑绝缘体;同时,电路中有很多现成的商业器件和方案可供选择,可方便地在拓扑体系中引入增益、衰减、非互易、非线性等多种效应,很多在电子体系和光学体系难以实现的拓扑模型可以在电路中得以实现,为将来研究具有非线性和非阿贝尔(Non-abelian)效应的全新拓扑材料提供了便捷的实验平台。该工作的发表,为进一步研究更为复杂的非厄米拓扑绝缘体铺平了道路,例如含有高阶角模式的和具有任意卷绕数(winding number)的非厄米拓扑电路。

本工作得到了欧盟玛丽居里学者项、英国wolfson基金、国家重点研发计划、国家杰出青年科学基金、国家自然科学基金等项目的资助。


作者简介

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崔铁军,中国科学院院士,东南大学首席教授,IEEE Fellow,长期从事电磁超材料和计算电磁学研究。创造性地提出从信息科学角度研究超材料的思想,提出数字编码和可编程超材料及其控制电磁波的新方法,创建了信息超材料新体系;提出了电磁波与复杂目标及环境相互作用的一系列高效算法,开发了具有自主知识产权的系列专用电磁仿真软件;在中国航天、航空、电子和船舶等工业部门进行了大量应用,取得了显著的经济效益与社会效益。发表学术论文500余篇,被引用35800余次(H因子93)。研究成果入选2010年中国科学十大进展、2016年中国光学重要成果;获2011年教育部自然科学一等奖、2014年国家自然科学二等奖、2016年军队科学技术进步一等奖、2018年国家自然科学二等奖。

 

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张霜,香港大学物理系和电子工程系讲座教授。曾任伯明翰大学天文与物理学院的教授。2016年当选美国光学学会会士。在超构材料领域产生了很多重要成果。首次在光学波段实现了负折射率材料、首次通过贝里相位实现了谐波产生的非线性系数的连续控制、首次提出了有效介质(超构材料)的光学拓扑现象、首次实现了理想外尔点并实验上观测到光学系统的朗道手性零级模式、提出了等离激元结构的电磁诱导透明、首次实现了可见光波段宏观尺度的隐身斗篷等。2010年获国际物理联合会的青年科学家光学奖,2016年获英国皇家学会的Wolfson 科研奖。2018—2020年连续入选科睿唯安全球“高被引科学家”名录。共发表论文200余篇,论文总被引用次数26000余次(谷歌学术)。

 

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项元江,湖南大学教授,长期从事光与新型物质(超材料、二维材料等)的相互作用的研究。近年来,在非线性光学新效应、拓扑光子学的研究工作中取得了许多创新性成果,已在国际重要学术刊物发表论文200余篇,包括Science和Physical Review Letters 等高水平期刊,被同行引用6600余次, H因子44。 




往期回顾

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华南理工大学物理与光电学院李志远团队新进展:可见-近红外波段可调谐的白光激光

16

04-2021

浙江大学环境与资源学院徐建明、马斌团队新进展:基于功能-类群网络预测土壤微生物驱动的生物地球化学循环耦合过程

13

04-2021

天津大学姜忠义、石家福团队酶-光偶联催化CO2及光催化辅酶再生研究新进展



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《Research》是中国科协与美国科学促进会于2018年共同创办的定位为国际化、高影响力、世界一流水平、综合性、大型OA科技期刊,是美国《Science》自1880年创刊以来第一本合作期刊。主要发表生命科学、新材料、新能源、人工智能、微纳米科学、环境科学、机械科学、机器人与先进制造8个具有巨大发展潜力的热点交叉领域突破性研究成果。目前已建立了135人具有国际影响力的编委会,主编(中国)为中国科学院院士黄维,主编(国际)为美国明尼苏达大学麦克凯特杰出教授崔天宏。已被CAS、CNKI、CSCD、DOAJ、EI、ESCI、INSPEC、PMC、Scopus数据库收录。


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来源:gh_39c32df87055 Research科学研究

原文链接:http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzU5MzQ0OTc2Mg==&mid=2247487970&idx=1&sn=4fd0933e8c09212453fb816e908f4d6f

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