山西大学激光光谱研究所在非平衡拓扑散射研究方面取得重要进展

近日，山西大学激光光谱研究所贾锁堂教授、梅锋教授研究团队在非平衡拓扑散射研究方面取得了重要进展。相关研究成果“Observation of topological braiding and dynamical criticality in time reflection and refraction”于2月28日发表在Nature Communications。博士生李一为论文第一作者，梅锋教授、南开大学金亮教授、上海交通大学袁璐琦教授为共同通讯作者，激光光谱研究所研究生寇杨、南开大学博士生许会生、上海交通大学博士生董兆辉参与了该研究，贾锁堂教授与肖连团教授提供了重要指导。

近年来，非平衡物态作为一种随时间动态调控的新颖物态，突破了传统静态体系的物理限制，展现出超越平衡态体系的新奇物理特性，例如时间界面上的反射与折射。与基于空间界面的散射行为不同，在非平衡物态体系中，当系统在某一时刻发生突变时，波函数会在该“时间界面”处分裂为不同演化路径，实现时间反射和时间折射，为非平衡物态的调控提供了全新自由度。然而，当前研究多集中于散射现象本身，对于其中可能蕴含的拓扑结构与动力学临界行为仍缺乏深入认识。因此，探究时间反射与折射过程中是否涌现出新的拓扑与动力学特性，已成为一个亟待关注的重要科学问题。

研究团队与合作者在实验上发展了模拟和测量波包实虚部动力学的双编码技术，实现了长程非平衡拓扑系统中的时间界面构造与时间域散射操控，进而研究了时间界面引入后系统的拓扑特性与非平衡动力学行为。首先，当时间界面两侧的系统具有不同拓扑绕数时，实验观测到时间反射与折射系数在动量空间中呈现出奇异的拓扑缠绕结构；在此基础上，进一步证实了该拓扑结构的拓扑不变量与界面两侧系统拓扑绕数之差满足普适关系，即v=Wf-Wi，从而建立了非平衡时域散射过程与系统内禀拓扑性质之间的定量关联。其次，研究揭示了该非平衡拓扑散射过程中所蕴含的临界动力学行为。当时间界面两侧系统发生拓扑相变时，波包的演化动力学表现出明显的时间域临界行为，其速率函数在某些特定时刻呈现出临界特征，类似于动力学相变中的奇异行为；进一步分析表明，整个动力学过程可由一个动力学拓扑不变量完整刻画，并在临界时间点处发生跳变，体现了非平衡拓扑演化中的拓扑转变机制。

该研究得到科技部重点研发计划、国家自然科学基金重点项目、国家高层次青年人才项目、山西省“1331”工程重点学科建设基金、山西省杰出青年基金项目、光量子技术与器件全国重点实验室以及省部共建极端光学协同创新中心的支持。（通讯员：张颖）