貝里曲率（Berry curvature）是量子力學中描述幾何相位演化的關(guān)鍵物理量。非平凡貝里曲率可引發(fā)量子霍爾效應、反常霍爾效應等拓撲現(xiàn)象，在電子、光子等體系的拓撲研究中起著關(guān)鍵作用。然而，貝利曲率與能帶結(jié)構(gòu)本身的拓撲性質(zhì)有關(guān)，往往被封閉在體系內(nèi)部，難以直接觀測。近日，北京大學的彭超、尹雪帆研究團隊與合作者在Nature Communications上發(fā)表了一項突破性研究，首次在非厄米光子系統(tǒng)中通過遠場輻射測量成功表征了貝利曲率。

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圖1.輻射拓撲-能帶拓撲的對應關(guān)系

在研究中，團隊利用光子晶體平板結(jié)構(gòu)構(gòu)造具有非平凡拓撲性質(zhì)的光子能帶。為解決波函數(shù)被封閉在體系內(nèi)部難以直接觀測的難題，團隊提出利用輻射光子作為“信使”，將體系內(nèi)部的能帶拓撲信息投射在遠場輻射的偏振信息中，成為一種直接觀測開放體系拓撲性質(zhì)的創(chuàng)新方法。團隊理論上證明了光子輻射的幾何特性與系統(tǒng)內(nèi)在能帶拓撲的關(guān)系，即 “輻射拓撲-能帶拓撲的對應關(guān)系”（bulk-radiation correspondence）。團隊發(fā)現(xiàn)遠場輻射的偏振態(tài)作為可直接觀測量，可直接反映非厄米體系光子能帶的貝利曲率在二維動量空間中的分布。由此，團隊構(gòu)建了一個光學測量系統(tǒng)，對蜂窩晶格光子晶體平板中的貝利曲率以及谷-陳數(shù)進行了直接測量。

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圖2.Berry曲率實驗測量與理論計算結(jié)果

該研究為觀測開放體系內(nèi)封閉的拓撲性質(zhì)提供了新方法，不僅拓展了拓撲物理學領(lǐng)域的研究手段，也啟發(fā)了非厄米光子學、拓撲 激光器、非厄米拓撲傳感等領(lǐng)域的研究思路。該論文于2025年3月21日發(fā)表在Nature Communications。

尹雪帆、陳燁為共同第一作者，彭超為通訊作者。該工作得到科技部重點研發(fā)計劃和國家自然科學基金等項目的支持。

論文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-025-58050-8