【引言】

拓?fù)鋵W(xué)在現(xiàn)代物理學(xué)的前沿領(lǐng)域中起著非常重要的作用。眾所周知，拓?fù)湫再|(zhì)已經(jīng)在凝聚態(tài)物質(zhì)和經(jīng)典波中被廣泛報道。此外，拓?fù)鋵W(xué)也被用于廣義相對論和現(xiàn)代宇宙學(xué)。由于最近引力波探測的突破，人們對宇宙時空的拓?fù)湫?yīng)將會越來越感興趣。特別是，理論家預(yù)測，在早期宇宙中Higgs真空場對稱性破裂期間，當(dāng)與這種對稱性破裂相關(guān)聯(lián)的真空流形的拓?fù)洳皇呛唵蔚剡B接在一起時，可能會形成一些拓?fù)淙毕荨＠鐔螛O子、宇宙弦和疇壁，它們分別是時空的0維、1維和2維拓?fù)淙毕荨Ｌ祗w物理學(xué)中對這些拓?fù)淙毕莸膶嶒炗^察將徹底改變宇宙的視覺。此外，各種論證，如宇宙弦產(chǎn)生的宇宙微波背景輻射中的引力波和特定印記，可能被提出用于天文觀測。然而，據(jù)作者所知，迄今為止，在天體物理學(xué)中還沒有觀察這些拓?fù)淙毕莸暮梅椒āＰ疫\(yùn)的是，來自實驗室環(huán)境中各種系統(tǒng)的模擬模型受到了研究宇宙中不容易接近的現(xiàn)象的可能性的推動。例如Hawking–Unruh和Bose–Einstein凝聚體。

另一方面，基于控制介電常數(shù)和磁導(dǎo)率分布的超材料的轉(zhuǎn)換光學(xué)可以被廣泛研究，以設(shè)計許多具有新光學(xué)應(yīng)用的人造材料。變換光學(xué)最重要的應(yīng)用是隱形斗篷，其中光線被視為變形空間中的線性平行測地線。在愛因斯坦的廣義相對論中，時空曲率是由能量和動量決定的。最近，通過將時空度量映射到具有局部曲率的電磁介質(zhì)本構(gòu)參數(shù)，模擬廣義相對論現(xiàn)象成為可能。除了三維超材料之外，超表面(二維超材料)具有易于制造和低傳播損耗，是一種操縱電磁波的新方式。特別的是，不同種類的超表面已經(jīng)被用來控制表面波的傳播。

【成果簡介】

近日，來自南京大學(xué)的劉輝（通訊作者）教授團(tuán)隊在Nature Communications上發(fā)表文章，題為“Definite photon deflections of topological defects in metasurfaces and symmetry-breaking phase transitions with material loss”。通過使用以旋轉(zhuǎn)超表面為邊界的人工波導(dǎo)，實驗?zāi)M了時空拓?fù)淙毕莸姆瞧椒残?yīng)。拓?fù)洳▽?dǎo)中的光子偏轉(zhuǎn)具有不依賴于入射光子的位置和動量的穩(wěn)定的確定角度。這與普通空間中的隨機(jī)光散射明顯不同。通過包括材料損耗，這種拓?fù)湫?yīng)可以從光子模式的對稱性破壞中很好地理解。作者的研究為研究光學(xué)系統(tǒng)中的拓?fù)湟μ峁┝艘粋€平臺。這種方法也可以擴(kuò)展到獲得許多其他新型拓?fù)涔庾悠骷?/p>

【圖文簡介】

圖1. 使用人工波導(dǎo)模擬拓?fù)淇臻g中的特定光子偏轉(zhuǎn)

a 負(fù)拓?fù)淙毕菘臻g中的光子偏轉(zhuǎn)(光子從中心推開)、正拓?fù)淙毕菘臻g中的光子偏轉(zhuǎn)(光子被吸引到中心)和微小空間中的光子偏轉(zhuǎn)(光子沿著直線傳播)；

b 二維彎曲超材料模擬負(fù)質(zhì)量宇宙弦；

c 二維彎曲超材料模擬無拓?fù)溆钪嫦遥?/p>

d 二維彎曲超材料模擬正質(zhì)量宇宙弦；

圖2. 人工波導(dǎo)的理論設(shè)計

a多層人工波導(dǎo)的示意圖；

b用聚焦離子束制作的旋轉(zhuǎn)超表面的顯微圖像；

c具有局部各向異性指數(shù)的旋轉(zhuǎn)超表面，用紅色曲線表示；

d人造波導(dǎo)的局部橢圓等頻輪廓；

圖3. 人工波導(dǎo)中確定光子偏轉(zhuǎn)的實驗和模擬

a-c負(fù)質(zhì)量宇宙弦排斥光束的實驗結(jié)果；

d–f COMSOL的相應(yīng)模擬；

g-i正質(zhì)量宇宙弦吸引光束的實驗結(jié)果；

j–l COMSOL的相應(yīng)模擬；

圖4. 不同材料損耗下的對稱破裂相變

a調(diào)節(jié)材料損耗模擬拓?fù)湎嘧儯?/p>

相變過程中超材料光學(xué)模式的改變(b)與對稱性破裂(c)；

圖5. 不同拓?fù)淇臻g中的光子偏轉(zhuǎn)

a–c 不同質(zhì)量密度宇宙弦確定光學(xué)偏轉(zhuǎn)的實驗

d–f COMSOL的相應(yīng)模擬；

g 非平凡平面空間中的光干涉；

h 光學(xué)芯片中多光束傳輸實驗;

i 宇宙弦的平面空間；

j 光學(xué)芯片中Airy光束傳輸實驗;

k–n COMSOL的相應(yīng)模擬；

【總結(jié)】

在上述結(jié)果中，作者通過構(gòu)建基于旋轉(zhuǎn)超表面的人造波導(dǎo)，證明了宇宙弦拓?fù)淇臻g的光學(xué)類比。作者在正拓?fù)淇臻g和負(fù)拓?fù)淇臻g中都觀察到了魯棒強(qiáng)烈的確定光子偏轉(zhuǎn)。通過調(diào)整波導(dǎo)厚度和材料損耗，作者獲得了光子模式的對稱性破裂，并模擬早期宇宙中宇宙弦的產(chǎn)生。這種非常強(qiáng)烈的光子偏轉(zhuǎn)可以被用作一種新型全向透鏡，它可以在不改變光束輪廓的情況下明確地彎曲光。這種獨特的特性可用于光學(xué)聚焦、成像和信息傳輸。在這項工作中，作者只模擬一維拓?fù)淙毕荩粋€宇宙弦。將來，所報道的方法可能會擴(kuò)展到模擬0維單極和2維拓?fù)洚牨凇Ｍ負(fù)湟Y(jié)合量子場和引力，在現(xiàn)代理論物理中起著非常重要的作用。但是它大多數(shù)微妙的理論預(yù)測仍然非常模糊，遠(yuǎn)離實驗測試。這項工作中采用的方法可以提供一個實驗平臺來研究拓?fù)湟驮S多其他不尋常的時空拓?fù)湫再|(zhì)。此外，時空的拓?fù)湫再|(zhì)源自重力的量子效應(yīng)。為了探索重力的量子效應(yīng)，我們應(yīng)該在未來的研究中將量子光學(xué)和變換光學(xué)結(jié)合起來。這種前瞻性研究可能在相對論量子信息技術(shù)中有潛在的應(yīng)用。

文獻(xiàn)鏈接：Definite photon deflections of topological defects in metasurfaces and symmetry-breaking phase transitions with material loss, (Nature Communications, 2018, DOI: 10.1038/s41467-018-06718-9)

來源：材料人