拓扑光子学和非线性光学是光子学中两个非常活跃的研究领域。拓扑与物理的结合源自于凝聚态物理中对拓扑物态的研究，最初人们发现量子霍尔效应中整数倍的电导率其本质来源于系统能带结构的拓扑特性,最近拓扑的概念也拓展到光学中形成了新兴的拓扑光子学。光子拓扑绝缘体的实现使拓扑与物理学中不同领域的结合更加紧密，不断地揭示新的物理机制和规律。与此同时，非线性光学作为现代光学中一个重要的研究分支，因其带来的新颖物理机制以及巨大的潜在应用如物质结构分析、激光技术等一直深受研究者们的青睐。那么，非线性与拓扑光子学的结合会产生怎样新颖的物理现象？这些问题的探索对基础物理的研究和开发新颖光子学器件都有重要意义。
近日，物理科学学院陈志刚教授课题组特聘外籍助理研究员D. Bongiovanni与国际合作团队一起，首次从理论上提出了一种孤子阵列非线性相互作用驱动下的动态拓扑相变模型，揭示了该动力学过程中“演生型”拓扑相变的产生以及伴随的拓扑边界态的“产生”和“消失”现象。该工作创新地将非线性孤子态与非平凡拓扑相联系起来，演示了一种典型的“演生型”非线性拓扑物理现象，进一步启发了人们对非线性与拓扑光子学之间相互作用的认识。研究成果以“Dynamically Emerging Topological Phase Transitions in Nonlinear Interacting Soliton Lattices ”为题在线发表在国际顶尖期刊Physical Review Letters上。
图1 非线性驱动下“孤子”晶格的演化。a1-a2分别为实空间“孤子”晶格的光强分布与相应的能带结构示意图；b1-b3分别为晶格示意图以及非线性驱动下“孤子”晶格演化所产生的两种典型现象：拓扑相变以及交叉。
本工作南开大学为第一完成单位，南开大学外籍博士后D. Bongiovanni为第一作者。南开大学特聘教授/克罗地亚萨格勒布大学教授H. Buljan、南开大学讲席教授陈志刚为共同通讯作者。合作者还包括南开大学教授胡毅、宋道红和博士生胡志婵等。相关工作得到了国家科技部重点研发计划项目、国家自然科学基金委项目的资助。
据悉，该课题组近两年在非线性拓扑光子学前沿领域的研究取得了一系列重要进展，相关工作相继发表在Science、Light:Science & Applications、Physical Review Letters等顶尖学术期刊上。
论文链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.127.184101
