Chiral doublon bound states in a synthetic topological waveguide

在光与物质的世界里，科学家们早已知晓如何让单个光子（即光粒子）与原子发生相互作用。当这些微小的粒子被困在一个被称为波导的狭窄通道中时，它们可以来回反弹，产生复杂的能量模式。通常情况下，光粒子彼此互不干扰；它们像幽灵一样穿梭而过。为了让它们相互粘合或产生相互影响，研究人员必须在系统中引入一种特殊的摩擦力或非线性。这使得光子能够配对，形成被称为“双子态”（doublons）的紧密结合簇。可以将这些光子对想象成不是两个独立的旅者，而是一个在通道中移动的更重的单一旅者。与此同时，物理学家发现，某些材料可以通过工程设计具有隐藏的“手性”（chirality），即波只能向一个方向传播，就像单行道一样。驱动近期研究的问题是：当这两种奇异概念——结合的光子对与单行道——相遇时，会发生什么？

西安交通大学的一个研究团队通过设计一种三角形梯形波导的理论模型，探索了这一交汇点。在这种设置中，他们将一对量子发射器（即微小的光源）放置在一个光子可以与其邻居发生强烈相互作用的通道中。通过调节这些相互作用的强度，研究人员发现这对光子的行为表现得就像是在一条完全不同的轨道上移动。他们将这些光子对的运动映射到了一个被称为苏-席佛-赫格（Su-Schrieffer-Heeger）链的结构上，这是一个著名的物理模型，能在材料边缘创造出特殊的受保护状态。结果发现了一种新型的结合态，它是手性的，意味着它被锁定在通道的一侧，且无法轻易切换到另一侧。

研究人员发现，当一个发射器与该系统耦合时，它会在光子对的流动中产生一种独特的扰动。光子对并不会在发射器周围堆积，而是形成一个具有明显“节点”（即零存在点）的结合态，这个节点恰好位于发射器所在的位置。描述粒子可能出现位置的光函数在该特定位置消失，并随着向单侧移动而呈指数级衰减。这种行为模仿了晶格中的空位或“孔洞”。发射器实际上充当了一堵硬墙，光子对无法穿透它，从而迫使它们聚集在仅一侧。这种单侧局域化直接继承自底层结构的拓扑特性，赋予了该结合态手性特征。这种局域化的方向完全取决于发射器连接到晶格的具体哪个部分，这使得科学家可以控制结合态是向左侧还是向右侧生长。

为了测试这些手性结合态之间可能如何相互作用，该团队扩展了他们的模型，加入了两对独立的发射器。他们研究了当这两对发射器相对于彼此处于不同距离和取向时会发生什么。当两组结合态被安排为面对面时，即它们的局域化尾部在两者之间的空间内发生重叠，系统便展现出了活跃的迹象。研究人员观察到了相干拉比振荡（Rabi oscillations），这是一种能量的节奏性交换，激发能在两个发射器对之间来回跳跃。这种相互作用是由光子对云的重叠驱动的，在远距离的发射器之间建立了一个强有力且可控的链路。

然而，当取向或间距发生改变时，情况发生了剧烈变化。当两组结合态背对背、向相反方向延伸时，它们的尾部完全没有重叠。在这种配置下，相互作用完全消失，两个发射器对保持独立，没有任何能量转移发生。同样，如果两对发射器被放置在同类型的晶格位点上，且彼此间隔偶数步，相互作用也会消失。这是因为手性结合态仅存在于晶格中特定的交替位点上；如果第二个发射器被放置在一个第一个结合态存在感为零的位点上，它们便无法“看到”彼此。研究人员通过详细的数值模拟证实了这些发现，表明相互作用的强度不仅取决于距离，还取决于手性态的精确对齐方式以及分离步数的奇偶性。

这些发现表明，通过无需物理靠近的方式，工程化构建相关光子对之间相互作用的新途径。通过控制发射器的手性和相对位置，科学家可以开启或关闭相互作用，从而在远距离量子系统之间建立可切换的链路。该研究提出，这种设置可以通过带有可调非线性耦合器的电路量子电动力学来实现，为构建非线性量子网络提供了一条实用的路径。这项工作为创造定制的多体相互作用提供了蓝图，在这种情况下，信息的流动受系统的拓扑规则而非仅仅是简单的邻近程度所支配，从而为开发更复杂、更稳健的量子器件打开了大门。