他，新晋院士，2025年首篇Nature，累计发表14篇正刊！

高分子科学前沿 · 公众号 · 化学 · 2025-01-02 08:08

正文

范汕洄，斯坦福大学电气工程学教授、应用物理学教授（受聘）和 Precourt 能源研究所高级研究员。中科大少年班学院88级校友， 1997 年在麻省理工学院获得理论凝聚态物理学博士学位，并于2024当选美国国家工程院院士。他还是 Edward L. Ginzton Laboratory 的教员，并于 2014 年至 2021 年担任该实验室主任。他的研究兴趣是纳米光子结构的基础研究，特别是光子晶体和元材料，以及这些结构在能源和信息技术领域的应用。范汕洄教授的研究表明，相对于地球，宇宙的寒冷可以成为人类的主要能源。这个理念是基于一个称为辐射冷却的概念。辐射冷却是一种利用宇宙的寒冷来产生电力的方法。这种方法利用从周围空气吸收的热量和冷空间的辐射冷却效应之间的温差来产生电力。据小编不完全统计，范汕洄教授已在正刊发表了14篇论文。

在2025年的第一天，范汕洄教授团队成果登上《Nature》，下面，就让小编带大家一起了解一下大佬的研究成果。

文章解读

非阿贝尔规范场是描述具有自旋粒子的理论框架，在电动力学、凝聚态物理和粒子物理中起重要作用。非阿贝尔规范场的晶格模型有助于理解其在扩展系统中的物理意义，但目前对于光子尚未实现相关实验。

在此，斯坦福大学范汕洄院士团队首次在合成频率维度中展示了光子的SU(2)晶格规范场，这种方法为研究可扩展、可编程的晶格物理提供了新的平台。理论上，作者观察到均匀的非阿贝尔晶格规范势在布里渊区时间反转对称动量处诱导狄拉克锥的形成。实验中，通过线性带交叉和特征态轨迹方向反转的现象验证了非阿贝尔晶格规范场的存在。此外，作者还展示了一种非阿贝尔标量晶格规范势，能够解除狄拉克锥的简并。这些结果突出了非阿贝尔晶格规范场在拓扑物理中的潜在意义，并为研究光子合成维度中的非阿贝尔物理开辟了新起点。同时，这项研究为通过拓扑非平凡的方式操控光子自旋和伪自旋提供了技术基础，具有重要的光子技术应用前景。相关成果以“Non-Abelian lattice gauge fields in photonic synthetic frequency dimensions”为题发表在《Nature》上。第一作者为Dali Cheng。

作者研究了二维方晶格上自旋1/2粒子的动力学，由一个非阿贝尔规范场控制，如图1a所示。粒子在晶格中移动时会经历路径相关的自旋旋转，这由哈密顿量描述。若规范势Ax和Ay不交换（[Ax, Ay]≠0），会引发独特的非阿贝尔效应。在倒易空间中，哈密顿量揭示了两大特征：第一，非阿贝尔规范场在时间反演对称动量处诱导狄拉克点，形成线性带交叉。这些狄拉克点受到对称性保护，并通过规范场破坏时间反演对称性而存在。第二，这些狄拉克点携带拓扑电荷，其效应在布里渊区闭环路径中通过本征态轨迹的旋向性反转表现出来（图1c）。这些特性表明，尽管规范势均匀，非阿贝尔场的非交换性使其表现出无法通过规范变换消除的独特效应。这与均匀阿贝尔场的情况形成鲜明对比，后者无法带来类似的物理现象。这些结果展示了非阿贝尔规范场在晶格系统中的独特物理意义，并为深入研究相关拓扑效应提供了理论基础。

图 1：具有非阿贝尔规范场的晶格模型。

实验实现

作者通过实验验证了非阿贝尔晶格规范场的特性，实验装置由光纤环形谐振器构成，光子的水平和垂直偏振作为伪自旋基础（图2c）。该装置包含三个部分：输入激光器和偏振态发生器、谐振器内的偏振控制器用于实现特定的旋转操作，以及对偏振模式进行调制的保偏分支。通过特定频率的调制，构建了一个包含短程和长程耦合的二维合成频率晶格（图2a），这一晶格等效于具有扭曲边界条件的二维晶格（图2b）。实验采用交错调制方案，成功实现了非阿贝尔规范场。尽管调制强度较高，实验仍观察到两个关键特征：狄拉克点的线性交叉（图2a）以及本征态轨迹在穿越狄拉克点时的方向反转。这些结果展示了非阿贝尔晶格规范场的鲁棒性，为后续研究提供了坚实基础。

图 2：在光子合成频率维度中创建非阿贝尔晶格规范场的实验装置

能带结构测量

通过扩展参考文献中的方法，作者成功测量了合成频率晶格中的能带结构，并揭示了狄拉克点的线性能带交叉特性（图3）。实验通过光电探测器测量输出光强度，将激光频率失谐量解释为 Floquet 准能量，将时间视为波矢。在二维合成频率晶格中，作者通过在调制信号的两个频率音之间引入相位差 φ，沿布里渊区中的特定线进行能带采样（图3a）。结果显示，当 φ = 0 或 π 时，采样轨迹经过 Γ 和 M 点，观察到明显的线性能带交叉；而当 φ = π/2 时，轨迹避开这些点，能带结构显示出带隙（图3b）。进一步通过模拟和实验测量了系统的透射光谱（图3c、d），结果与理论预测和模拟高度吻合，特别是在 Γ 和 M 点处清晰观察到狄拉克点交叉。这种测量还揭示了光谱共振强度的不均匀性，这反映了固定输入偏振与本征态的重叠变化，为后续通过不同偏振输入进行本征态测量的方法奠定了基础。

图 3：光子合成频率维度中晶格哈密顿量的能带结构测量

本征态测量

为了研究晶格模型中的本征态轨迹，作者通过改变输入偏振态进行断层扫描重建。透射光谱中的共振强度表示本征态在输入偏振态上的投影。通过对不同输入偏振态的测量进行计算，可以获得本征态的空间分布。图4a显示了六种输入偏振下的透射光谱随时间的变化曲线。基于这些数据，作者重建了二维布里渊区中采样线所形成的本征态轨迹（图4b）。第一列展示了采样线形成的闭合环，第二列显示了理论模型下的本征态轨迹。对比两种不同条件下的轨迹，可以发现它们在布洛赫球上的缠绕方向相反，这是非阿贝尔晶格规范场的典型特征。模拟和实验结果均表明，这一特性在更广泛的条件下依然存在。实验进一步验证了预期的本征态轨迹缠绕方向反转，这清楚地证实了合成频率维度中光子非阿贝尔晶格规范场的存在。

图 4：断层扫描本征态重建和本征态轨迹观察

小结

本文使用偏振作为光子的伪自旋自由度，通过实验观察合成频率维度中光子的非阿贝尔晶格规范场。非阿贝尔晶格规范场表现出两个独特的特征：布里渊区时间反转不变动量处狄拉克点的出现以及本征态轨迹方向的反转。更进一步，在方法中，作者实验性地实现了具有可调谐非阿贝尔标量势 A0 的晶格模型，并表明这种非阿贝尔标量势可以提升狄拉克点的简并性并引起拓扑上非平凡的带隙。本文的结果为研究非阿贝尔晶格规范物理、它们的动力学及其与物质拓扑相的联系开辟了新的可能性。

来源：高分子科学前沿

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他，新晋院士，2025年首篇Nature​，累计发表14篇正刊！

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