近些年來，維度的概念已經(jīng)成為當代物理學和技術(shù)不同領(lǐng)域的一個核心固定因素。雖然對低維材料和結(jié)構(gòu)的研究是富有成效的，但拓撲學的快速發(fā)展已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了更多潛在的有用現(xiàn)象，這些現(xiàn)象取決于系統(tǒng)的維度，甚至超越了我們周圍世界的三個空間維度。但是在科學研究中，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(tǒng)的性質(zhì)及演化特性。
創(chuàng)造一種“合成維度”，是量子模擬的重要工具。例如，在一個三維系統(tǒng)中引入兩個人工合成維度，就可以在該系統(tǒng)上研究五維的物理性質(zhì)。合成維度使得在低維設(shè)備中利用高維概念成為可能，并降低了復雜性，同時也推動了關(guān)鍵設(shè)備的功能。
渦旋光子攜帶的軌道角動量數(shù)目原理上可以無限，是構(gòu)建人工合成維度的理想載體。中國科學技術(shù)大學郭光燦院士團隊李傳鋒、許金時、韓永建等人在基于人工合成光子軌道角動量維度實現(xiàn)量子模擬的方案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(xiàn)腔內(nèi)超過46階軌道角動量模式的諧振。
研究團隊在此基礎(chǔ)上，創(chuàng)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(xiàn)腔內(nèi)渦旋光子軌道角動量和光子自旋的耦合。腔內(nèi)光子所攜帶的軌道角動量是整數(shù)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。
結(jié)合共振能譜探測技術(shù)，研究組直接刻畫了該自旋軌道耦合系統(tǒng)的態(tài)密度和能帶結(jié)構(gòu)，并利用該實驗裝置優(yōu)異的可調(diào)諧性能，清晰展現(xiàn)了周期性驅(qū)動系統(tǒng)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(tǒng)地研究了不同拓撲結(jié)構(gòu)的特性并探測到拓撲繞數(shù)。
該項研究證明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(tǒng)提供了一個高度緊湊的實驗平臺。研究成果4月19日發(fā)表在國際期刊《自然·通訊》上。
原標題：拓撲量子模擬再次開創(chuàng)新方法為拓撲物理系統(tǒng)提供高度緊湊實驗平臺