天天快看點(diǎn)丨南開團(tuán)隊在子空間對稱性保護(hù)拓?fù)鋺B(tài)的研究取得新突破

(資料圖)

拓?fù)鋵W(xué)本是一門研究物體幾何特性的數(shù)學(xué)分支，在物理學(xué)中卻可以利用拓?fù)涞母拍蠲枋鑫镔|(zhì)的能帶特征，從而研究新穎拓?fù)湮飸B(tài)和各種新生的拓?fù)洳牧?。非平凡拓?fù)渥畹湫偷奶卣骶褪谴嬖谑芴囟▽ΨQ性保護(hù)的拓?fù)溥吔鐟B(tài), 以至于通常人們認(rèn)為拓?fù)溥吔鐟B(tài)、拓?fù)洳蛔兞亢蛯ΨQ性之間緊密關(guān)聯(lián), 不可或缺，即破壞對稱性的任何擾動都會同時破壞拓?fù)洳蛔兞亢屯負(fù)溥吔鐟B(tài)。

近日，南開大學(xué)物理學(xué)院/泰達(dá)應(yīng)用物理研究院教授陳志剛課題組與國外學(xué)者合作的研究卻挑戰(zhàn)了這一傳統(tǒng)觀念。他們發(fā)現(xiàn), 即使系統(tǒng)不再具有量子化的拓?fù)洳蛔兞亢湍撤N整體對稱性, 拓?fù)溥吔鐟B(tài)依然可以在相應(yīng)的子空間存在, 由子對稱性保護(hù)。相關(guān)研究成果發(fā)表在《自然—物理學(xué)》（Nature Physics）上。

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對稱性保護(hù)的拓?fù)湎啵⊿PT phase）中關(guān)于擾動的分類示意圖。黃線區(qū)域代表一組滿足特定對稱性的擾動，并不破壞整體系統(tǒng)的拓?fù)洳蛔兞?(Topo.Invariant)。每個邊界態(tài)都受到其相關(guān)的子對稱（SubSy）的保護(hù)，其中紅線和藍(lán)線區(qū)域分別代表兩組滿足子對稱的擾動，此時擾動破壞了整體系統(tǒng)的拓?fù)洳蛔兞浚挥绊懽訉ΨQ保護(hù)的邊界態(tài); 重疊區(qū)域代表的拓?fù)湎嗤瑫r具有拓?fù)洳蛔兞恳约跋鄳?yīng)的拓?fù)溥吔鐟B(tài)。 南開大學(xué)供圖

研究人員通過引入和探究子對稱性的概念，發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)意義上全局的對稱性對于拓?fù)溥吔鐟B(tài)的保護(hù)并非完全必要。實際上，只需滿足特定子空間的對稱性，拓?fù)溥吔鐟B(tài)就會受到保護(hù)，即使此時整體拓?fù)洳蛔兞恳巡淮嬖凇?/p>

研究團(tuán)隊巧妙地設(shè)計并利用弱光直寫制備了光子晶格結(jié)構(gòu)，以滿足不同子空間對稱性條件，實驗演示了最典型的一維SSH和二維Kagome拓?fù)渚Ц裰惺艿阶訉ΨQ性保護(hù)的拓?fù)鋺B(tài)。此外，他們在Kagome晶格模型中創(chuàng)新地引入了長程耦合對稱性，解決了目前關(guān)于Kagome晶格中高階拓?fù)鋺B(tài)的存在和拓?fù)浔Ｗo(hù)性的爭議問題。

據(jù)悉，該研究不僅挑戰(zhàn)了人們對受對稱性保護(hù)拓?fù)鋺B(tài)的傳統(tǒng)認(rèn)知，還為拓?fù)湮飸B(tài)在不同物理背景下的研究和應(yīng)用提供了新的思路。這一成果有望進(jìn)一步推動拓?fù)涔庾訉W(xué)及其前沿交叉領(lǐng)域的發(fā)展和新一代拓?fù)涔庾悠骷难邪l(fā)。

相關(guān)論文信息: https://doi.org/10.1038/s41567-023-02011-9

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