科研进展|上科大物质学院潘义明教授LiFE课题组提出并验证了在周期驱动系统中的Floquet规范反常现象

近日，上海科技大学物质科学与技术学院潘义明教授团队（light and free electron group,光和自由电子课题组）提出了一种新的量子反常机制（quantum anomaly），用于调控周期性驱动的凝聚态物质、光子学和超冷原子等系统中的Floquet稳态。团队通过激光直写合成了拓扑-正常绝缘体光子晶体异质结，发现了Floquet规范反常流的现象。这种反常流涉及在周期性驱动系统中少被关注的分数电荷行为。通过拓扑光子学建模和实验，研究人员实验上观察到了Floquet规范反常，为探索周期性驱动系统提供了新思路和理论基础。该研究发表于国际学术期刊Physical Review Letters (《物理评论快报》), PRL 130.223403(2023)。

对称性和对称性破缺是现代物理中非常重要的物理概念和机制。量子反常是指在量子系统中的经典对称性破缺时出现的反常电流项，它提供了一种不同于自发和显式对称性破缺的反常对称性破缺机制。一般来说，当零能的手征费米子与背景规范场（例如电磁场）相互作用时，它们会产生一个破坏相应规范对称性的反常电流，即规范反常。由于零模反常在缺陷（如畴界、涡旋）上的抵消需要来自体内的额外流输入，因此会出现著名的Callan-Harvey机制：它能够实现零模反常在缺陷或表面上的抵消。目前，对对称保护拓扑相（SPT相）和周期驱动系统的拓扑相广泛研究成果已证实量子反常现象的存在。

光子系统中的人工规范场在近期已被实现，科研人员能够更好地研究Floquet拓扑模式的反常行为。物质学院潘义明教授LiFE课题组引入了一种新型的基于Floquet工程学的量子反常—“π模反常(π mode anomaly)”。在周期驱动拓扑/正常绝缘体异质光子晶体结构中（图一），当Floquet规范得到适当调整时，Floquet π模反常会自然产生，Floquet规范的时空配置导致了反常流和分数电荷。具体而言，随着在光子晶体中观察到了π模的实验现象（图二）中，研究人员使用了激光直写平台制造了一个拓扑-正常绝缘体异质结构，通过调整Floquet规范成功观察到了π模反常和Floquet规范反常流的现象。

π模式反常是一种新型的量子反常现象，它只在周期性驱动的系统中出现，并涉及到人工可调的任意分数电荷激发。该工作提出了Floquet工程学的Callan-Harvey机制，并利用飞秒激光直写技术在周期调制的光学系统重观察到了π模量子反常。这项工作为周期性驱动系统的研究提供了新的方向和理论基础，为包括凝聚态物理、冷原子和量子场体系相关现象打下了基础。

图一: 在静态和周期驱动的拓扑/正常绝缘体异质结构中的反常流行为。(a) 在有背景规范场存在时，零模反常的Callan-Harvey机制。拓扑激发持有1/2的分数电荷。(b) π模式反常的Callan-Harvey机制构造。反常拓扑激发持有1/2的分数电荷。(c) 由广义Floquet规范引起的π模式域墙构造。两侧的Floquet规范相对偏移T/f，分数电荷为1/f。

图二：从绝热极限到高频极限的Floquet π模式反常的激光直写实验观测。(a) 检测驱动拓扑/正常绝缘体异质结构光子模型输出强度分布的读取系统。(b-d)显示了设计的结构、(e-g)模拟传播动力学和(h-j)输出强度分布的实验测量结果。研究发现π模式反常仅出现在中间频率范围内 (c、f、i)。研究人员注意到，通过驱动局部畴界的Floquet规范场配置可以来演示任意分数电荷的形成。然而，由于其全局拓扑性质，无法通过局部激发直接检测到分数电荷的存在，因此分数电荷的物理性质依然是难以捉摸的。

本项合作成果由上海科技大学物质学院助理教授潘义明、以色列理工学院博士后陈昭拼、南京大学研究生王兵和威兹曼研究所的研究员Eilon Poem共同完成。潘义明教授、陈昭拼博士为共同通讯作者，上海科技大学为第一完成单位。特别感谢已故的科学家Yaron Silberberg教授对该工作的前期关注和支持。

潘义明LiFE课题组主页：https://spst.shanghaitech.edu.cn/pym/list.htm

文章标题：

Floquet Gauge Anomaly Inflow and Arbitrary Fractional Charge in Periodically Driven Topological-Normal Insulator Heterostructures

文章链接：

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.130.223403