通过动态四维量子霍尔系统边缘的光子拓扑抽运

当二维电子气受到垂直磁场和面内电场作用时，其横向面内方向的电导会发生量子化：这被称为量子霍尔（QH）效应。该效应是系统电子能带结构非平凡拓扑的结果，其中一个被称为第一陈数的整数拓扑不变量导致了霍尔电导的量子化。有趣的是，已有研究表明量子霍尔效应在数学上可以推广到四个空间维度（4D），但由于实验系统受限于三个空间维度这一明显原因，该效应从未被实现。在本工作中，我们利用光子波导阵列提供的高可调谐性和控制能力，通过二维耦合光波导阵列实验实现了一个动态生成的4D QH系统。波导间距的构造使得光在器件中的传播在正交于两个物理维度的方向上采样高维动量，从而实现了2D拓扑抽运。结果，该器件的能带结构与被称为第二陈数的4D拓扑不变量相关联，这些不变量支持具有4D对称性的量子化体态霍尔响应。在有限尺寸系统中，4D拓扑体态响应由局域边缘模式携带，这些边缘模式作为调制辅助动量的函数穿过样品。我们通过光子从系统的边缘到边缘和角落到角落的抽运直接观察到了这种穿越。这等效于在4D系统中将电荷从一个3D超曲面抽运到对面的超曲面，以及从一个2D超边缘抽运到另一个，并作为高维拓扑物理的首次实验实现。