损失并不总是坏事:从损失中获得拓扑结构

失去粒子会导致积极的、强大的影响。

一项国际合作展示了一种由混合光物质粒子损失产生的新型拓扑结构，引入了一种新的途径来诱导传统拓扑材料固有的高度珍视的效应，这可能会彻底改变电子学。雷竞技苹果版

由新加坡南洋理工大学(NTU)和澳大利亚国立大学(ANU)领导的这项研究，代表了在强光-物质耦合体系支持激子-极化激子形成的半导体中，首次实验观察到非厄米拓扑不变量。

澳大利亚国立大学FLEET研究员Eliezer Estrecho博士的共同主要作者(来源:澳大利亚国立大学Phil Dooley)

摩擦或电阻等损耗在自然界中普遍存在，但被视为对设备有害。

例如，在电子学中，电阻会导致发热并限制计算效率。

在光子系统中，光子很容易逃脱限制，限制了传输效率。

“然而，由于非厄米物理学的进步，这种关于损耗的负面观点最近有了显著的改变，这表明损耗可以导致在‘完美’无损耗世界中不可能出现的显著影响，”澳大利亚国立大学的埃琳娜·奥斯特洛夫斯基教授说。

非厄米物理学直接将损失和/或增益纳入量子力学。

利用量子力学和经典波动物理学之间的类比，光子学的最新进展表明，对损失的明智控制可以导致反直觉的效应，例如在损耗增加的情况下仍能打开的激光器，激光模式之间的鲁棒切换,不可逆转的传播的光。

对量子凝聚态系统(如电子材料)中非厄米效应的研究较少。

带结构在无损(实值)和有损(左，实部分;对，虚部)情况。当添加特定类型的损耗时，无损极限中的锥形交点(绿点)转换为一对异常点(粉红点)。

损耗可以诱发非平凡拓扑，将传统材料变成拓扑材料。

拓扑电子材料使用拓扑不变量(例如，Chern数)进行分类，这是一个量化电子波函数如何有效地在动量空间中旋转或旋转的数字。

具有相同拓扑不变量的材料具有相同的拓扑结构。

如果将两种具有不同拓扑结构的材料合并，在它们的界面上会发生无耗散单向传输等鲁棒效应。

沿这种无耗散路径进行的导电，没有在传统材料中引起能量和热耗散的散射，允许电流流动，几乎没有浪费的能量耗散。

在这项研究中，该团队将卤化铅钙钛矿半导体中的激子(电子激发)与光子混合，以产生激子-极化激元。

“通常情况下，人们需要奇异的材料或复杂的材料工程来诱导拓扑行为。然而，在这项工作中，我们发现，在基于卤化铅钙钛矿的激子-极化子系统中，仅仅是损失的存在，就会导致它表现出非平凡的拓扑结构，”该论文的主要作者之一Eli Estrecho博士(ANU)说

研究小组仔细测量了系统中极化激元在不同动量和极化极化时的能量和线宽。

理论预测(左)和实验测量(右)绕异常点对的复带(非厄米拓扑不变量)的差的缠绕。

能量和线宽对应于有耗系统复能量的实部和虚部，用非厄米物理学的语言。两种极化状态在动量空间中产生了两个不同的能带。

从这个分析中，研究小组发现了两个复能带的实部和虚部重合的点。这些被称为例外点，在这个系统中它们成对出现。

如果忽略线宽，这将是不可能的，就像在以前的作品中通常做的那样。

此外，研究小组发现，复能量在异常点周围以确定的手性和相位旋转。事实上，相位完全按照理论预测的那样缠绕——这个量是新的拓扑不变量，只出现在非厄米系统中。

该研究的主要作者之一苏睿博士(南洋理工大学)说:“这是第一次直接测量与凝聚态系统动量空间中的异常点相关的非厄米拓扑不变量。”

此外，研究小组发现，波函数的缠绕和能带彼此不同，证实它们确实观察到了一种新的拓扑结构。

这项工作为设计拓扑材料提供了一条新的途径，补充了传统的拓扑结构。雷竞技苹果版而不是避免损失，损失可以重新设计或有意地引入，以在固有的非拓扑系统中诱导拓扑效应。

这将有助于利用由于拓扑结构而产生的鲁棒效应，从而在有损耗系统中实现拓扑晶体管。

此外，由于钙钛矿中的激子-极化元可以表现出集体量子行为——玻色-爱因斯坦凝聚，这项工作为研究凝聚体和超流体的量子行为的非厄米拓扑效应铺平了道路。

ANU小组以前使用极化激元观察非厄米简并称为异常点，并显示了极化激元由于这些点的手性流动。

然而，这些点在参数空间中观察到。

这一次，在动量空间中证明了异常点，这可以直接影响粒子的传播，包括极化超流体。

Eli Estrecho博士说:“在动量空间中创造这些特殊的点，为研究激子-极化子系统中拓扑和非厄米物理的联合效应铺平了道路。”

沃罗察瓦科技大学和清华大学是ARC未来低能电子技术卓越中心(FLEET)的合作组织，该中心的活动由Ostrovskaya教授指导。