近年来，非厄米拓扑光子学引起了广泛关注，一方面在于拓扑性保证了电磁波的鲁棒性传播或者局域，另一方面在于非厄米性的引入为控制电磁波行为带来了更多的自由度，这使得同时追求鲁棒性和对系统的灵活调控成为可能。在非厄米拓扑光子学系统中，一类典型的非厄米性是通过在格点上引入增益或耗散来实现，它将导致与PT对称物理相关的有趣现象。对于拓扑光子晶体或晶格，其中最重要的参数指标之一就是拓扑边界态在格点上的态密度，为了表征边界态，传统的测量办法是利用光学探头、微波天线或者声学麦克风对格点处的辐射场的强度进行探测。然而，对于非厄米拓扑光子晶体，格点上的非一致性增益和耗散，使得天线测量的辐射场强度无法真实反映拓扑光子态的态密度，尤其是当非厄米性较大时，该方法完全失效。近日，浙江大学物理学院研究团队，利用自旋系综作为探针，提出了一种高效、无损、精确的拓扑光子态密度检测手段，利用自旋系综中的自旋集体激发模式，也即磁振子，与光子的强耦合，成功精确地探测了非厄米拓扑光子态的边界态态密度和PT对称性破缺。
图1. 非厄米拓扑边界态的PT对称性破缺
如图1所示，研究人员采用开口谐振环构造了一维PT对称的SSH晶格，该体系的两个零能模 [图1(c)] 分别对应损耗（虚部）不同的两个拓扑边界态，分别指数局域在一维链的两端[图1(b)]。将微波铁氧体钇铁石榴石（YIG）单晶小球耦合到各谐振环位点，由于磁振子-光子耦合强度的平方与光子局域态密度成正比，因此，通过分析频谱的能级反交叉曲线 [图2]，即可获得各模式在一维链上的态密度分布。图2(a) (d)是YIG小球分别置于一维链左右两端格点处测试的传输频谱，从中可观察到多个细节特征：第一，由于体态是扩展分布在整个一维链，而边界态主要堆积在边界位置，因此磁振子与两个边界态的耦合强度明显大于与体态的耦合。对于第8号体态和两个边界态的光子态密度分布，通过移动YIG小球在一维链上的位置，最终完整的测试结果如图2(b)(c)所示（散点）。综合大量的测试结果，无论是体态 [图2(c)] 还是边界态 [图2(b)] ，在各个格点处测试得到的磁振子-光子耦合强度的平方（实验，散点）都精准反映了各模态的态密度分布（理论，带状图）；第二，对比图2(a)和2(d)，可发现边界态拓扑光子模式的线宽发生了明显变化，细致的线宽拟合证实了非厄米边界态的PT对称性破缺。除此之外，研究人员还发现，PT对称的SSH模型一维链具有粒子-空穴对称性，非厄米拓扑边界态的出现与Z2拓扑不变量对应，与一维厄米SSH模型链的拓扑边界态相比，这种非厄米拓扑边界态在一维链边界上具有更高的光子局域态密度，从而增强了边界处磁振子-光子耦合强度。上述系列发现展示了非厄米工程为调控拓扑光子态带来了新自由度，为发展拓扑光-物质相互作用开辟了道路。
图2. 光子-磁振子强耦合频谱测试和测量得到的非厄米拓扑光子态在各个格点处的态密度
该成果于近期发表在美国物理学会期刊《Physical Review Letters》上。浙江大学物理学院博士后钱洁为论文第一作者，王逸璞研究员和游建强教授为共同通讯作者，朱诗尧院士和李杰研究员亦对文章做出重要贡献。该研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金重大研究计划重点支持项目的大力支持。
文章信息：Jie Qian, Jie Li, Shi-Yao Zhu, J. Q. You*, Yi-Pu Wang*. Probing PT-Symmetry Breaking of Non-Hermitian Topological Photonic States via Strong Photon-Magnon Coupling. Phys. Rev. Lett. 132, 156901 (2024).
文章链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.132.156901
