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本报讯 近些年，南京大学物理学院介电体超晶格实验室的祝世宁、刘辉研究组利用变换光学芯片，开展了弯曲时空中光子态演化特性的实验研究，取得系列成果。最近研究组的盛冲博士制备了一种二维弯曲超材料，实现一种新型的具有轴向旋转对称的各项异性变换光学介质，旋转对称中心可以模拟一维时空拓扑缺陷：宇宙弦。虽然宇宙弦不会像其他质量的天体在周围时空中直接产生引力场，但是会造成周围时空拓扑结构的改变，导致时空角度的缺损或盈余，光在这种拓扑时空中传播的时候，无论光子的入射位置、传播方向、波长、偏振方向如何，都会产生一个确定的偏转角Δ=8πGμ，偏转的角度数值只决定于宇宙弦的质量密度μ，这是宇宙弦拓扑时空鲁棒性的体现。对于负质量密度的宇宙弦μ0, 光线将被宇宙弦吸引。实验中，研究组通过调节结构参数，制备得到了对应负质量和正质量宇宙弦的光学芯片，并通过显微荧光探针技术直接观察到了光束经过拓扑缺陷产生的偏折，实验测量的偏折角度具有时空拓扑保护的鲁棒特性，与入射光束的位置。
普通的光学介质在对光场进行操控的时候，总会改变光场的部分性质，让光场携带的信息丢失，而普通天体引力透镜会导致光场的形变和发散，而宇宙弦拓扑时空中光场的传递是具有很好的鲁棒性，光场的分布被整体地保护起来，光信息的传递基本没有损失。为了进一步证明这种拓扑时空对光信息的无损传递特性，研究组将各种复杂光场耦入光学芯片中，例如多光束光场和Airy光束，实验结果显示光场在拓扑时空中传输，光场被很好地保护起来而没有被破坏。
根据当代量子宇宙模型，时空缺陷是在宇宙量子相变过程中，真空场自发对称性破缺所导致的结果。研究组通过在光学芯片中调节材料损耗系数来模拟时空的拓扑相变过程。结果表明当材料损耗较大，超材料表现为各项同性，真空场处于对称相，时空无拓扑特性；当材料损耗降低至临界点以下，超材料表现为各项异性，真空场对称性自发破缺，时空具有非平庸拓扑特性。这些结果显示损耗可以做新的自由度在芯片上调控光子的拓扑性质。
该工作近期发表在Nature Communications, 研究组博士后盛冲是第一作者，厦门大学的陈焕阳教授参与理论分析，祝世宁院士参与了讨论和文章的修改，南京大学是第一单位。
（物理学院 科学技术处）
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