💡这项突破是什么?
一种非厄米外尔结构。研究发现，如果两个非厄米外尔结构位于非厄米合成维度（δm）中的原点两侧（图2（d）），则由这两种结构形成的界面上会出现局域的模式（图2（e,f）），这主要是因为具有相反δm的外尔结构在能带上具有相反的虚质量，类似于实质量翻转诱导产生的Jackiw-Rebbi界面模式。不同的是，这种拓扑界面模式的出现是由一种称为涡旋（vorticity）的非厄米拓扑不变量来进行描述，并且不存在厄米的对应物。值得注意的是，这种外尔能带虚质量的翻转在实空间上对应于非厄米序的翻转。因此，该界面态的存在可以看作是非厄米序相变引起的物态转变（此时两者的拓扑序仍保持一致）。此外，研究人员进一步发现了一种由于外尔环内外相变所诱导产生的界面模式。如图3（a）所示，如果两种外尔结构分别位于外尔环的内和外，则在其界面上会产生局域的光场模式（图3（b-d））。这种拓扑模式本质是由于外尔环所具有的非平庸的拓扑核所引起的。
图2 虚质量翻转形成的外尔界面模式。（a）铬覆盖的一维硅波导阵列示意图，（b）合成维度中的外尔环，（c）3维合成维度形成的空间球，（d）非厄米合成维度中的能带图及两种外尔结构在其中的分布示意图，（e）两种外尔结构构成复合体系的能带图，红色与蓝色代表界面态曲线，（f）结构示意图及界面态的模式分布图。
图3外尔环相变形成的外尔界面模式。（a）两种非厄米外尔结构分别位于外尔环的内和外，（b，d）两种外尔结构构成复合体系的能带图，红色代表界面态曲线，（c）结构示意图及界面态的模式分布图。
在实验中，研究人员加工了设计好的3组样品，包括虚质量翻转情形、外尔环相变情形、并以厄米平庸态样品作为对照。实验通过将1550 nm波长的激光耦合输入到界面附近的波导，并将输出端的信号通过扇形的结构引出（图4（a））。可以看出，在虚质量翻转及外尔环相变情形下，可以在输出端的界面处观察到很强的光场分布（图4（b,c）），而厄米的对照样品在输出端表现为发散的光强信号（图4（d））。
图4 实验结果。（a）结构示意图，（b）虚质量翻转情形模拟及实验结果，（c）外尔环相变情形，（d）厄米平庸情形。
该成果以Observation of Weyl Interface States in Non-Hermitian Synthetic Photonic Systems为题发表于物理学顶级期刊（Phys. Rev. Lett. 130, 043803 (2023)）上。该论文通讯作者为南京大学现代工学院李涛教授及上海交通大学袁璐琦教授，第一作者是现代工学院助理研究员宋万鸽博士，该工作得到祝世宁院士的悉心指导。文章审稿人认为该工作——The story of this paper is clear and convincing, and the experimental structures are simply beautiful…Viewing the non-Hermitian perturbation as a new degree of freedom in the parameter space is intriguing…Deeper dive into this direction may reveal more interesting phenomena beyond this paper.（该工作清晰而有说服力，实验体系非常之美。将非厄米作为构建参量空间的新自由度非常有趣，在此方向上的进一步挖掘将揭示出更多有趣的效应）。该研究得到了科技部国家重点研发计划、国家自然科学基金委、南京大学登峰人才计划等项目的支持。
文章链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.130.043803
