【博科园–科学科普】近年来，物理学研究的主题一直是物理学研究的一个令人兴奋的课题，如那些在表面导电的晶体中发现的那些在表面导电的物质，这些都成为了2016年诺贝尔物理学奖的主题。现在麻省理工学院(MIT)和其他地方的研究团队发现，在不同的系统——开放系统中，能量或材料可以进入或被释放，而不是与外部没有这种交换的封闭系统，这是一种新的拓扑现象。这可能会打开一些基础物理研究的新领域，并最终可能导致新型的激光和其他技术。
图展示了这一奇特的拓扑景观，它围绕着一个被称为特殊点(红点)的特征，显示了一个费米弧(中心的粉色线)的出现，以及形成一个类似于移动条纹的纹理(顶部和底部带)的奇异偏振轮廓。图片版权：Massachusetts Institute of Technology
结果报告在本周《科学》杂志上的一篇论文中,最近麻省理工学院研究生Hengyun周“哈利”,麻省理工学院访问学者曹国伟彭(北京大学教授)，麻省理工学院研究生Yoseob Yoon，麻省理工学院毕业生Bo甄贾魏Hsu,麻省理工学院的教授马林Soljai弗朗西斯·赖特戴维斯的物理学教授约翰Joannopoulos Haslam和杜威的化学教授凯斯纳尔逊和劳伦斯·c·萨拉·w·傅梁Biedenharn职业发展助理教授。
在大多数研究拓扑领域的物理效应,Soljai说：所谓的“开放”系统物理术语中,这些被称为non-Hermitian系统在实验工作研究不多。测量或分析在辐射中增加或丢失能量或物质的现象所涉及的复杂性，通常会使这些系统更难以控制地进行研究和分析。
但是在这项工作中，团队使用了一种方法使这些开放的系统可以访问，并且“我们在这些非埃尔米特系统中发现了有趣的拓扑性质，”周说。特别地，他们发现了两种特殊的效应，它们是非埃尔米特系统的独特的拓扑特征。其中一种是一种被称为“体费米弧”的带特征，另一种是一种不寻常的改变极化的方式，或者是由用于研究的光子晶体发射的光波定向。
光子晶体是一种材料，其中有数十亿非常精确的形状和定向的小孔，使光以不同寻常的方式与材料相互作用。这些晶体被积极地研究了它们在光和物质之间产生的奇异的相互作用，这为新型的基于光的计算系统或发光器件提供了可能。虽然大部分研究都是通过封闭的厄米特系统完成的，但大多数潜在的现实应用都涉及到开放系统，因此研究人员说，这个团队所做的新观察可能会打开整个新的研究领域。
费米弧是研究小组发现的一种独特现象，它违背了一般的直觉，即能量曲线必然是闭合曲线。它们在封闭系统中被观察到，但在这些系统中它们总是在三维系统的二维表面形成。在这项新研究中，研究人员首次发现了一种位于系统大部分的费米弧。这一大块费米弧连接了发射方向上的两个点，这被称为异常点，这是开放拓扑系统的另一个特征。
他们观察到的另一种现象，是由光场根据发射方向的偏振变化而形成的，逐渐形成一个半扭曲，沿着一个循环的方向，返回到起点。当绕过这个晶体时，光的偏振实际上会翻转。这种半扭曲类似于莫比乌斯带，其中一张纸在连接到另一端之前扭曲了半圈，形成了一个只有一面的带。光偏振的这种类似于手机的扭曲，理论上可以带来新的方法，增加可以通过光纤链路传输的数据量。
现在有了一个非常有趣的技术来探测非埃尔米特系统的性质，这一工作也有可能最终导致新设备的出现，包括新型激光器或发光器件。这些新发现是由许多相同团队成员的早期研究得出的，发现了一种方法，利用从光子晶体中散射出来的光来产生直接的图像，这些图像揭示了材料的能量轮廓，而不是间接地计算这些轮廓。
光子初看上去极为简单的东西, 实际上也非常复杂, 进一步探索光子的本质,或许能有一个突破.