日前，吉林大学电子科学与工程学院、集成光电子学国家重点实验室陈岐岱教授团队在《自然·物理》（Nature Physics (2022), DOI: 10.1038/s41567-022-01669-x）发表了题为“Non-Abelian Thouless pumping in photonic waveguides”的研究论文。该工作在光子芯片上设计并制备了非阿贝尔索利斯光子泵，为观测非阿贝尔拓扑物理提供了新工具，并为在片上利用Wilczek–Zee和乐变换实现光子态及其路径的拓扑操控开辟了新的技术路线。

古希腊人在两千多年前发明了阿基米德螺旋泵，通过水管中螺旋叶片的旋转将水流从低处抽往高处。1983年，戴维·索利斯教授（2016年诺贝尔物理学奖获得者）提出了阿基米德螺旋泵的量子版本：考虑粒子在一个绝热变化的周期性势阱中运动，当粒子经过一个周期的绝热衍化后，会发生一个整数的横向位移。该系统后被命名为索利斯泵，粒子的整数输运现象与整数量子霍尔效应具有相似性，它们的背后原理都与系统希尔伯特空间的拓扑性质有关，因此索利斯泵可以被用于观测系统的拓扑不变量，包括贝里相位以及陈数。索利斯泵在多种多样的物理系统中得以实现，包括凝聚态系统和光学系统等，但这些系统的背后均基于阿贝尔拓扑物理原理。2021年，非阿贝尔拓扑荷在实验上被成功观测到，其具有更加丰富有趣的物理性质，包括非交换的辫结构以及非阿贝尔体-边对应准则。针对拓扑物理学的发展趋势，将索利斯泵推广到非阿贝尔体系特别是具有广泛应用的光学系统，不仅可以为观测非阿贝尔拓扑物理提供有力工具，更可以为利用非阿贝尔拓扑原理操控光子提供新的手段。

针对以上难题，研究团队在Lieb晶格光子波导中设计了非阿贝尔索利斯光子泵，该设计的关键是利用具有手征对称性的哈密顿量来保证在N个周期的系统中始终保持2N个简并平带。通过在该简并子空间内把简并光子态作为系统的输入，该光子态可以感受到非阿贝尔规范势的作用，实现非阿贝尔索利斯泵浦，该过程也叫做非阿贝尔Wilczek–Zee和乐变换。研究团队利用飞秒激光直写技术在光学玻璃芯片中制备了该结构，并设计了几种不同的泵浦路径。不同的泵浦路径可以实现不同的光子态转化路径以及几何相位矩阵，通过组合不同的泵浦方式，可以把输入的简并光子态绝热地泵浦到任意一个简并光子态。为了表征该泵浦方式具有非阿贝尔特性，研究团队将3种泵浦方式进行组合，在实验上观测到不同的组合方式会产生不同的输出结果，这证实了该索利斯光子泵的非阿贝尔特性以及与泵浦方式相关联的Wilczek–Zee和乐变换。更进一步，研究团队利用引入缺陷的实验证实了该非阿贝尔索利斯光子泵具有高鲁棒性，这是因为该Wilczek–Zee和乐变换是一个全局变换操作，因此希尔伯特空间内的拓扑特性可以在一定范围内免疫局部干扰，这为设计高鲁棒性的基于幺正矩阵变换的片上光子器件（如光互连器件）提供了新方案。

该工作发表的同时，来自意大利恩利克·费米研究中心的Laura Pilozzi教授等人，在Nature Physics杂志上发表专题评论文章“Thouless pumping of light with a twist”，对该工作进行了点评。Pilozzi教授评论“该工作阐明了非阿贝尔和乐与粒子绝热传输的关系，为利用几何和拓扑原理操控光子路径铺平了道路”（英文原文：An experiment with photonic waveguides demonstrates the connection between non-Abelian holonomies and adiabatic particle transport, paving the way to the geometric and topological control of light trajectories）。

上述研究成果的第一完成单位是吉林大学。论文的共同通讯作者为吉林大学张旭霖副教授、田振男副教授和清华大学孙洪波教授。本工作得到了国家自然科学基金的资助。

文章链接：https://www.nature.com/articles/s41567-022-01669-x

图：光子芯片上的非阿贝尔索利斯光子泵