信息學院彭超副教授與合作者在《科學》發表非厄米系統費米弧觀測研究成果

拓撲性質是幾何或空間在連續改變形狀後仍然保持不變的一些性質。將拓撲效應引入凝聚態物理系統，被證明是理解微觀奇異世界的關鍵之一。2016年，凝聚態材料中的拓撲相與拓撲相變被諾貝爾物理學獎青睞。然而，當前拓撲物理學領域鮮見對開放系統（物理上也稱為非厄米系統）拓撲性質的實驗觀測，這是由於開放系統是能量不守恆的體系，能量的增長或泄露都將增大體系複雜性和測量難度。

用光子學方法研究物理體系的拓撲性質，是理解拓撲物理學基本原理的一種有效手段。作為一種由成千上萬周期性分布的介質微結構所組成的人造晶體，光子晶體完美體現了凝聚態量子系統的物理規律。處於光錐之上的光子可從光子晶體中逃逸，因此該體系實際上就是一個非厄米系統。通過測量逃逸光子的狀態（例如頻率和偏振），該體系即可直接實驗觀測體系的拓撲性質。

北京大學信息科學技術學院、區域光纖通信網與新型光通信系統國家重點實驗室彭超副教授與麻省理工學院物理學系Marin Soljacic教授課題組、賓夕法尼亞大學物理學與天文學系Bo Zhen助理教授合作，對非厄米系統的拓撲性質展開直接實驗研究，成功觀測到非閉合的費米弧（Fermi arcs）和偏振態半核（polarization half-charge）現象。

費米弧是能量等高線上具有開放端點的不閉合弧——這一現象打破了能量等高線必為閉合曲線的直觀認知，一般被認為存在於三維體系的二維表面上。與之不同的是，彭超等人實驗觀測的費米弧來自三維體系自身，而非其二維表面，因此被叫做體費米弧。體費米弧連接了系統中的兩個輻射奇異點（exceptional points），體現出非厄米系統的拓撲性質。同時，他們還觀測到系統內拓撲性質的另一種表現——光子偏振態半核；也就是說，光子偏振在波矢空間以一定的閉合路徑扭轉半圈，類似於形成偏振態上的莫比烏斯環。賓州州立大學物理學系Mikael Rechtsman助理教授對這項工作給出有趣的評價：「系統損耗往往被認為是一種阻礙，而這裡卻成為獲取系統拓撲性質的有效途徑（Perhaps the most ingenious aspect of this work is that the authors use the fact that their system must necessarily lose photons, which is usually an obstacle and annoyance, to access new topological physics）。」

2018年1月11日，上述工作的相關成果以《成對輻射奇異點體系中體費米弧和偏振態半核的觀測》（Observation of bulk Fermi arc and polarization half charge from paired exceptional points）為題，在線發表於《科學》（Science,DOI: 10.1126/science.aap9859）；彭超為共同第一作者。在國家自然科學基金、國家留學基金青年骨幹教師出國研修項目資助下，彭超與其合作者的研究融合了拓撲物理學（topological physics）、非厄米系統物理學（non-Hermitian physics）和奇點光學（singular optics），為拓撲光子學領域開拓了新方向。

在成對奇異點（exceptional points）（紅色）附近所觀測到的奇特拓撲景象（粉色線為費米弧，上部和下部的莫比烏斯待為偏振態半核）

編輯：白楊

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