日前，吉林大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院、集成光電子學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室陳岐岱教授團(tuán)隊(duì)在《自然·通訊》(Nature Communications 15,9311(2024))上發(fā)表題為“Two-dimensional non-Abelian Thouless pump”的研究論文。該工作設(shè)計(jì)并制備了二維非阿貝爾索利斯泵立體光芯片，為片上高魯棒性光互連和光計(jì)算等應(yīng)用提供了解決方案。
 

　　索利斯泵可以通過絕熱變化的周期性勢(shì)能實(shí)現(xiàn)粒子的量子化傳輸，其過程受到系統(tǒng)希爾伯特空間拓?fù)湫再|(zhì)的保護(hù)，所獲得的貝里幾何相位矩陣具有全局效應(yīng)。因此，該傳輸過程對(duì)局部干擾具有免疫性，相應(yīng)的器件表現(xiàn)出高魯棒性。近年來，非阿貝爾物理被引入索利斯泵的設(shè)計(jì)，催生了非阿貝爾索利斯泵。基于非阿貝爾和樂原理，器件的輸入輸出之間通過Wilczek-Zee連接和幾何相位矩陣相互關(guān)聯(lián)，導(dǎo)致最終結(jié)果取決于泵浦的順序，即非交換性。非阿貝爾索利斯泵的特性使其在光子學(xué)中，特別是光互連和光計(jì)算等領(lǐng)域展現(xiàn)出了十分重要的潛力。然而，當(dāng)前的非阿貝爾索利斯泵僅為一維系統(tǒng)，高維非阿貝爾索利斯泵的研究仍處于探索階段。推動(dòng)非阿貝爾和樂原理向高維發(fā)展，不僅有助于研究高維拓?fù)湎到y(tǒng)中的非阿貝爾物理現(xiàn)象，更能夠進(jìn)一步擴(kuò)展其在光子學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用。
 

　　針對(duì)上述問題，研究團(tuán)隊(duì)首先在理論上通過兩個(gè)阿貝爾群的直積，生成了與二維非阿貝爾索利斯泵相關(guān)的非阿貝爾群，并從群的角度揭示了一維阿貝爾索利斯泵、一維非阿貝爾索利斯泵以及二維非阿貝爾索利斯泵的群表示。考慮到芯片的實(shí)際架構(gòu)，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了具有6個(gè)光波導(dǎo)組成原胞的二維光波導(dǎo)陣列，通過調(diào)控波導(dǎo)間的耦合系數(shù)并輸入簡并光子態(tài)，即可以對(duì)光子態(tài)進(jìn)行Wilczek–Zee和樂變換，實(shí)現(xiàn)光子態(tài)的二維非阿貝爾索利斯泵浦。研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了兩種不同的光子態(tài)轉(zhuǎn)化路徑，通過對(duì)輸出光場(chǎng)的光強(qiáng)分布進(jìn)行表征，可以得到每種泵浦模式對(duì)應(yīng)的幺正矩陣。通過組合不同的泵浦方式，可以把輸入的簡并光子態(tài)絕熱地泵浦到任意一個(gè)簡并光子態(tài)。為表征這種二維索利斯泵的非阿貝爾特性，研究團(tuán)隊(duì)以不同的順序連接兩種泵浦，觀察到不同的組合方式會(huì)對(duì)最終的輸出結(jié)果產(chǎn)生影響，這證實(shí)了器件的非阿貝爾特性和與泵浦方式相關(guān)聯(lián)的幺正矩陣變換。更進(jìn)一步，研究團(tuán)隊(duì)利用引入了缺陷的實(shí)驗(yàn)證實(shí)了這種二維非阿貝爾索利斯泵具有魯棒性：在傳播常數(shù)或耦合系數(shù)存在擾動(dòng)時(shí)，由于器件受到拓?fù)浔Ｗo(hù)，光子態(tài)運(yùn)輸?shù)穆窂娇梢悦庖呔植扛蓴_。該器件可充分利用立體光芯片的三維特性實(shí)現(xiàn)光子態(tài)的拓?fù)鋫鬏敚瑸槠细唪敯粜怨饣ミB和光計(jì)算等應(yīng)用提供了解決方案。
 

圖：二維非阿貝爾索利斯泵的設(shè)計(jì)及泵浦實(shí)驗(yàn)結(jié)果
 

　　上述研究成果的唯一完成單位是吉林大學(xué)。論文的第一作者為電子學(xué)院博士研究生孫怡可，共同通訊作者為電子學(xué)院張旭霖教授和田振男教授。本工作得到了國家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的支持。