在准周期马赛克晶格中探测多个迁移边界 | Science Bulletin

迁移边界(Mobility Edge)是局域物理中的关键概念，其标志着能谱中扩展态与局域态之间的临界转变。安德森局域的标度理论预测在低维系统中并不存在迁移边界，因此，在低维单粒子系统中寻找确切的迁移边界，在近年来引起了理论和实验界的广泛关注，并取得了显著进展。目前该领域仍有若干悬而未决的问题，包括单一系统是否可能表现出多个迁移边界，以及即使在强无序作用下，扩展态是否始终存在。

2020年，北京大学的刘雄军教授课题组发表了题为“One-dimensional quasiperiodicmosaic lattice with exact mobility edges”的论文，从理论上给出一种新型准周期马赛克晶格并预测了该体系下的多个迁移边界。

最近，来自瑞典皇家理工学院的Jun Gao和Ali W. Elshaari、斯德哥尔摩大学北欧理论物理研究所的Ivan M. Khaymovich、上海交通大学物理与天文学院的Xiao-Wei Wang等人在Science Bulletin发表论文“Probing multi-mobility edges in quasiperiodic mosaic lattices”，在实验上实现了准周期马赛克晶格，并为回答上述问题提供了实验依据。

实验装置示意图及所制造设备的扫描电子显微镜图像。

研究团队利用了氮化硅(Si3N4) 集成光子回路来构建准周期马赛克晶格，并使用波长786nm的激光作为注入，在不同传播距离下探测了光的演化动力学。通过扫描准周期势的强度并近似探测临近边界的本征态，研究团队确认了系统中迁移边界的存在。特别是在κ=3（κ描述晶格调制周期）的马赛克晶格中，研究团队确认了四个迁移边界，这些边界将能谱划分为三个局域化区域，其间有两个扩展本征态区域。通过特定位置的单点激发，研究团队分别发现光的传播表现出明显的局域或扩散特性，突显了本征态谱中的局域化转变。同时这种转变处于强无序准周期调制下，表明即使在强无序作用下，扩展态仍然存在。

κ=3的马赛克晶格中，不同无序强度下的本征能谱和光传播演化分布。(a)随着无序强度增加，系统呈现出四个迁移边界，这些边界将能谱划分为三个局域化区域（I、II 、III），其间有两个扩展本征态区域。(b)和(c)在无序强度λ/J = 5下，在特定波导位置进行单点激发后，光在晶格中传播3000微米后的实验和数值模拟强度分布，其呈现出局域和扩展光强分布。

该研究表明，准周期马赛克系统展现出了比传统的随机无序模型更加丰富的物理现象，极大地扩展了对无序系统相变机制的理解。此外，光子晶格平台提供了一种在室温条件下大范围调节晶格参数的手段，首次实现了光子学平台对研究迁移边界的实验研究。文章还指出了未来可能的研究方向，包括探索这些系统中拓扑相变的可能性及其对新型量子技术和材料科学的影响。