信息学院彭超副教授与合作者在科学发表非厄米体系费米弧观测研究成果

拓扑性子是几何或空间在延续改变外形后仍然保持不变的一些性子。将拓扑效应引入凝聚态物理体系，被证实是理解微观奇异世界的关键之一。2016年，凝聚态材料中的拓扑相与拓扑相变被诺贝尔物理学奖青睐。然而，当前拓扑物理学领域鲜见对开放体系（物理上也称为非厄米体系）拓扑性子的实验观测，这是因为开放体系是能量不守恒的系统，能量的增加或泄漏都将增大系统复杂性和测量难度。

用光子学方法研究物理系统的拓扑性子，是理解拓扑物理学基本原理的一种有用手段。作为一种由成千上万周期性分布的介质微结构所组成的人造晶体，光子晶体完善表现了凝聚态量子体系的物理规律。处于光锥之上的光子可从光子晶体中逃逸，因此该系统现实上就是一个非厄米体系。通过测量逃逸光子的状况（例如频率和偏振），该系统即可直接实验观测系统的拓扑性子。

北京大学信息科学技术学院、区域光纤通讯网与新型光通讯体系国家重点实验室彭超副教授与麻省理工学院物理学系Marin Soljacic教授课题组、宾夕法尼亚大学物理学与天文学系Bo Zhen助理教授合作，对非厄米体系的拓扑性子睁开直接实验研究，成功观测到非闭合的费米弧（Fermi arcs）和偏振态半核（polarization half-charge）征象。

费米弧是能量等高线上具有开放端点的不闭合弧——这一征象打破了能量等高线必为闭合曲线的直观认知，一样平常被认为存在于三维系统的二维外观上。与之不同的是，彭超等人实验观测的费米弧来自三维系统自身，而非其二维外观，因此被叫做体费米弧。体费米弧连接了体系中的两个辐射奇异点（exceptional points），表现出非厄米体系的拓扑性子。同时，他们还观测到体系内拓扑性子的另一种体现——光子偏振态半核；也就是说，光子偏振在波矢空间以肯定的闭合路径扭转半圈，类似于形成偏振态上的莫比乌斯环。宾州州立大学物理学系Mikael Rechtsman助理教授对这项工作给出风趣的评价：“体系损耗每每被认为是一种阻碍，而这里却成为获取体系拓扑性子的有用途径（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，上述工作的相干成果以《成对辐射奇异点系统中体费米弧和偏振态半核的观测》（Observation of bulk Fermi arc and polarization half charge from paired exceptional points）为题，在线发表于《科学》（Science,DOI: 10.1126/science.aap9859）；彭超为共同第一作者。在国家天然科学基金、国家留学基金青年主干教师出国研修项目资助下，彭超与其合作者的研究融合了拓扑物理学（topological physics）、非厄米体系物理学（non-Hermitian physics）和奇点光学（singular optics），为拓扑光子学领域开拓了新方向。

  在成对奇异点（exceptional points）（红色）附近所观测到的奇特拓扑景象（粉色线为费米弧，上部和下部的莫比乌斯待为偏振态半核）

编辑：白杨