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董建文教授、陈文杰教授课题组提出实现拓扑时间边界态的新机制
近日，中山大学物理学院董建文教授、陈文杰教授团队联合香港浸会大学马冠聪教授团队，提出了一种无需持续时间调制也可实现拓扑时间边界态（topological temporal boundary state，TTBS）的新机制。基于机械振子实验平台，他们成功观测到理论预言的拓扑时间边界态，并验证了其对时间扰动的鲁棒性。该工作把时变拓扑体系与非厄米物理联系起来，为瞬态波场拓扑调控提供了新思路。
时间光子晶体是（空间）光子晶体概念在时间上的拓展，指均匀介质的电磁参数（如介电常数）随时间周期性变化的Floquet系统，其能带结构会在动量空间中形成动量带隙。与空间光子晶体的频率带隙不同，动量带隙中的模式不会在空间上衰减，而会随时间指数增长或衰减。研究表明，时间光子晶体的动量带隙也具有拓扑特性：若将两个拓扑不等价的时间光子晶体在时间上相接，系统会经历拓扑相变，体边对应关系将保证在时间边界处出现拓扑态——即拓扑时间边界态（TTBS）。然而，由于持续快速的折射率调制在实验中难以实现，TTBS的实验观测仍鲜有报道。
本研究提出了一种无需时间调制即可实现TTBS的新途径：仅利用空间非厄米晶体的增益–损耗翻转即可在时间上诱导拓扑转变。研究人员分析了PT对称的非厄米光子晶体的PT对称破缺区域，发现其波行为与时间光子晶体的动量带隙类似，且其拓扑性质与非厄米性相关联：翻转非厄米性可观察到能带先关闭后打开的行为，通过理论分析可证实该过程发生了拓扑相变。这种拓扑相变可使得动量带隙中央的增长模式可在非厄米性翻转瞬间，完美地耦合到动量带隙中央的衰减模式中，在时间上形成局域峰值，即拓扑时间边界态。
图1非厄米光子晶体的动量能带反转及其拓扑时间边界态
因本文的理论基于一般形式的波动方程，可推广至多种经典波体系，我们基于机械振子系统搭建了一维的非厄米晶格，实验成功激发并观测到了拓扑时间边界，并在此基础上，在时间边界处引入时间缺陷，进一步验证了拓扑时间边界态的鲁棒性。
图2 在一维机械振子系统中实验观测拓扑时间边界态与鲁棒性验证
本研究理论提出并实验验证了一种在空间晶体中实现拓扑时间边界态的新机制。基于一般形式的波动方程，该理论可推广至光学、声学、机械等多种经典波系统。由于PT对称结构的实验制备已较为成熟，大大降低实验难度。该理论使拓扑局域态的概念在时空晶体中得以拓展，后续还可在二维与三维系统中深入研究，为新型瞬态波场调控与时空拓扑器件设计提供了可行路径。
该成果以“Topological temporal boundary states in a non-Hermitian spatial crystal”为题发表在国际著名期刊《Physical Review Letters》上。中山大学物理学院博士生李明蔚为论文第一作者，中山大学物理学院董建文教授、陈文杰教授和香港浸会大学马冠聪教授为共同通讯作者。项目得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划项目基金、广东省基础与应用基础研究项目基金、香港基本科研资助局与香港浸会大学基金的支持。
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