近日，在美国能源部国家核安全局（USDOE NNSA）的资助下，桑迪亚国家实验室（Sandia National Laboratories）宣布完成了一项重要研究计划。这项研究旨在结合拓扑物理学和非厄密性（Non-Hermiticity）原理，为光子学系统的性能提升提供全新的解决方案。研究成果涵盖了从理论探索到实际应用的多个方面，不仅展示了高阶拓扑物理学在光子学中的潜力，还拓展了非厄密性现象的应用范围，为未来的光电器件设计提供了重要依据。
拓扑与非厄密性的理论创新
研究团队首先聚焦于两项前沿理论：
高阶拓扑物理学
高阶拓扑系统是近年来凝聚态物理学领域的一项重要突破。这些系统可以通过晶体对称性保护拓扑态，而无需打破时间反演对称性。这一特性特别适用于光子学系统，因为在光子晶体中，打破时间反演对称性是一项技术挑战。通过利用高阶拓扑特性，研究团队成功设计了能够保护低维度拓扑态的光学结构，为实现高稳定性的光子模式奠定了基础。非厄密性系统的特殊现象
非厄密性系统中出现的特殊点（Exceptional Points）和连续谱中的束缚态（Bound States in the Continuum, BICs）为光子学应用带来了新机遇。特殊点是系统能谱中出现的退化点，而BICs则可以在理论上实现无限的品质因子（Q因子）。通过精确设计光学系统的增益和损耗模式，研究人员能够操控这些非厄密现象，从而在光学传感和激光技术中获得前所未有的性能提升。
具体研究进展
研究团队围绕拓扑与非厄密性原理，在多个方向取得了突破性进展：
连续谱束缚态的发现与应用
通过设计光子晶体（Photonic Crystals, PhCs）中的点缺陷模式，研究团队首次在二维光子晶体中实现了没有能隙限制的束缚态。这种束缚态通过对称性失配避免了辐射泄露，展现了极高的光学模式品质因子。这一发现为低折射率材料（如玻璃和聚合物）的纳米光学器件设计提供了全新的思路。对称性保护的高品质因子模式
在介质超表面中，研究团队开发了一种基于对称性保护的设计方法，成功实现了可控的高Q模式。这一方法通过打破旋转对称性（例如二重和三重对称性），实现了独立控制模式的频率分裂和Q因子。研究表明，该设计在激光器、传感器以及非线性光学器件（如频率转换和谐波生成）中具有广泛应用前景。布里渊光纤激光传感技术
团队开发了一种基于布里渊激光的光纤传感器，通过引入窄带激光模态，大幅提升了传感的灵敏度和动态范围。实验结果表明，该系统的应变检测灵敏度达到了每赫兹平方根4纳应变，动态范围超过5毫应变，为结构健康监测等领域的应用提供了技术保障。非厄密光学系统的拓扑分类
研究团队提出了一种基于实空间描述的拓扑分类方法，成功将拓扑概念扩展至无能隙环境。这种方法通过构造光学系统的“谱局部化算符”（Spectral Localizer），实现了对系统拓扑特性的定量分析，进一步验证了非厄密系统中拓扑边界态的存在和保护机制。
此次研究中的实验验证极具创新性。例如，通过在三维光子晶体中引入对称性破缺，研究人员首次观察到高阶拓扑态的空间局部化和谱线收窄现象。此外，他们通过两光子聚合技术精确制造了具有预定对称性的光子晶体，为光学模式的高精度控制提供了制造基础。
报告链接：
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