近些年來，維度的概念已經(jīng)成為當(dāng)代物理學(xué)和技術(shù)不同領(lǐng)域的一個(gè)核心固定因素。雖然對低維材料和結(jié)構(gòu)的研究是富有成效的，但拓?fù)鋵W(xué)的快速發(fā)展已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了更多潛在的有用現(xiàn)象，這些現(xiàn)象取決于系統(tǒng)的維度，甚至超越了我們周圍世界的三個(gè)空間維度。但是在科學(xué)研究中，由于三維物理世界的限制，往往難以研究三維以上的物理系統(tǒng)的性質(zhì)及演化特性。
創(chuàng)造一種“合成維度”，是量子模擬的重要工具。例如，在一個(gè)三維系統(tǒng)中引入兩個(gè)人工合成維度，就可以在該系統(tǒng)上研究五維的物理性質(zhì)。合成維度使得在低維設(shè)備中利用高維概念成為可能，并降低了復(fù)雜性，同時(shí)也推動(dòng)了關(guān)鍵設(shè)備的功能。
渦旋光子攜帶的軌道角動(dòng)量數(shù)目原理上可以無限，是構(gòu)建人工合成維度的理想載體。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)郭光燦院士團(tuán)隊(duì)李傳鋒、許金時(shí)、韓永建等人在基于人工合成光子軌道角動(dòng)量維度實(shí)現(xiàn)量子模擬的方案這一方向上進(jìn)行了長期的實(shí)驗(yàn)探索，先后搭建了基于平面鏡、球面鏡和橢球面鏡的簡并光學(xué)腔，實(shí)現(xiàn)腔內(nèi)超過46階軌道角動(dòng)量模式的諧振。
研究團(tuán)隊(duì)在此基礎(chǔ)上，創(chuàng)造性地在駐波簡并腔中引入具有各向異性的液晶相位片，實(shí)現(xiàn)腔內(nèi)渦旋光子軌道角動(dòng)量和光子自旋的耦合。腔內(nèi)光子所攜帶的軌道角動(dòng)量是整數(shù)分立的，與一維離散晶格相對應(yīng)。因此攜帶不同軌道角動(dòng)量的光子可以等效為位于不同晶格格點(diǎn)上的準(zhǔn)粒子，并通過自旋自由度將具有不同軌道角動(dòng)量的光子耦合起來，從而模擬粒子在不同晶格格點(diǎn)之間的來回躍遷。
結(jié)合共振能譜探測技術(shù)，研究組直接刻畫了該自旋軌道耦合系統(tǒng)的態(tài)密度和能帶結(jié)構(gòu)，并利用該實(shí)驗(yàn)裝置優(yōu)異的可調(diào)諧性能，清晰展現(xiàn)了周期性驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)能帶打開和閉合的演化過程。研究組進(jìn)一步引入不同的演化時(shí)序，系統(tǒng)地研究了不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的特性并探測到拓?fù)淅@數(shù)。
該項(xiàng)研究證明了利用渦旋光子固有自旋和軌道角動(dòng)量作為人工合成維度的可行性，為研究豐富的拓?fù)湮锢硐到y(tǒng)提供了一個(gè)高度緊湊的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。研究成果4月19日發(fā)表在國際期刊《自然·通訊》上。
原標(biāo)題：拓?fù)淞孔幽M再次開創(chuàng)新方法為拓?fù)湮锢硐到y(tǒng)提供高度緊湊實(shí)驗(yàn)平臺(tái)