用变换光学揭示拓扑

       自从首次应用于电磁斗篷的解析设计以来，转换光学(TO)已被证明是理解复杂光子结构物理学的强大工具。在纳米尺度下，由于正形映射下平面内标量势的不变性，通过研究更简单但光谱等效的几何图形，可以深入了解复杂等离子体系统的响应。通过利用TO，等离子体系统中的隐藏对称性可以被揭示，增强人们在理解高度non-trivial纳米结构中的光流时的物理直觉。此外，TO使电磁系统中隐藏维度的分析设计成为可能，使纳米结构展现出戏剧性的光谱效应，如超宽带吸收。这种奇异波行为的关键是几何奇点和隐藏的对称性，它们可以建立在一个给定的坐标变换中。最近，拓扑光子学领域的蓬勃发展使得光子晶体腔和光隔离器等器件的设计迅速发展，同时也开辟了拓扑激光和光子量子比特保护等新方向。拓扑描述特征模的量化全局行为，可以用拓扑不变量来描述。早期的研究集中在周期结构上，由此拓扑不变量被定义在块状晶体的能带结构上。然而，最近有研究表明，实空间中的对称指示器为研究拓扑材料提供了一种等效而简洁的方法。基于对称性，这种方法并不局限于晶体的体块带。因此，大量的工作被投入到非周期系统，如非晶材料和准晶体的拓扑界面、角态和向错模式的研究中。这些拓扑相已被Wannier函数所表征，它们构成实空间中的基本基态。然而，在许多情况下，结构的对称性可能与拓扑相关联，在实空间中并不直接可见

        近日，来自西安交通大学电气工程学院、伦敦帝国理工学院物理系Blackett实验室的Lizhen Lu等人借用变换光学中的虚拟空间的概念来演示如何在一个变换的、光谱相关的坐标空间中可视化一类对称，阐明底层的拓扑变迁。通过将高维虚拟空间中的等离子体系统投射到实空间中的低维系统上，他们展示了变换光学如何通过检查其在虚拟空间中的模态来构建拓扑non-trivial系统。有趣的是，他们发现拓扑不变量可以通过保形映射中的奇点来控制，从而实现了对边缘状态的直观工程。这里的转换光学和拓扑的合流可以推广到光子学以外的其他波域。相关研究工作发表在《Nature Communications》上。（詹若男 ）

       文章链接：Lizhen Lu et al. Revealing topology with transformation optics. Nature Communications (2021) 12:6887     https://doi.org/10.1038/s41467-021-27008-x