4月20日，記者從中國科學技術大學獲悉，該校郭光燦院士團隊李傳鋒、許金時、韓永建等人將攜帶不同軌道角動量的光子(又稱為渦旋光子)束縛在簡并光學諧振腔內，通過引入光子的自旋軌道耦合人工合成了一維的拓撲晶格，為拓撲量子模擬開創了一種新的方法。研究成果4月19日發表在國際期刊《自然·通訊》上。

由于三維物理世界的限制，往往難以研究三維以上的物理系統的性質及演化特性。研究人員提出可以通過人工合成維度的方式來解決。例如，在一個三維系統中引入兩個人工合成維度，就可以在該系統上研究五維的物理性質。

渦旋光子攜帶的軌道角動量數目原理上可以無限，是構建人工合成維度的理想載體。我國學者周正威教授研究組早在2015年就首次理論提出基于人工合成光子軌道角動量維度實現量子模擬的方案。李傳鋒、許金時等人在這一方向上進行了長期的實驗探索，先后搭建了基于平面鏡、球面鏡和橢球面鏡的簡并光學腔，實現腔內超過46階軌道角動量模式的諧振。在此基礎上，研究組創造性地在駐波簡并腔中引入具有各向異性的液晶相位片，實現腔內渦旋光子軌道角動量和光子自旋的耦合。腔內光子所攜帶的軌道角動量是整數分立的，與一維離散晶格相對應。因此攜帶不同軌道角動量的光子可以等效為位于不同晶格格點上的準粒子，并通過自旋自由度將具有不同軌道角動量的光子耦合起來，從而模擬粒子在不同晶格格點之間的來回躍遷。利用共振能譜探測技術，研究組直接刻畫了該自旋軌道耦合系統的態密度和能帶結構。利用該實驗裝置優異的可調諧性能，清晰展現了周期性驅動系統能帶打開和閉合的演化過程。研究組進一步引入不同的演化時序，系統地研究了不同拓撲結構的特性并探測到拓撲繞數。

這項成果驗證了利用渦旋光子固有自旋和軌道角動量作為人工合成維度的可行性，為研究豐富的拓撲物理系統提供了一個高度緊湊的實驗平臺。

(記者吳長鋒)