一维腔磁子链中通过磁子-光子耦合实现拓扑光子态的触发与检测：新型量子器件设计的突破

研究人员针对腔磁子系统（cavity magnonics）中拓扑光子态研究不足的问题，提出基于一维SRR（split-ring resonator）-YIG（yttrium iron garnet）链的耦合模型。通过调控电磁相互作用参数，成功触发拓扑相变、边缘态及拓扑量子通道，并利用平均光子数和反射系数相位绕数（WNRCP）实现态检测。该研究为拓扑光子器件设计及量子信息处理提供了新范式。

　　

在量子科学的前沿领域，拓扑态因其对局部扰动的鲁棒性成为研究热点，尤其在量子计算和通信中潜力巨大。然而，基于腔磁子耦合系统（cavity magnonics）的拓扑光子态研究仍处于起步阶段，其调控与检测手段亟待突破。传统方案多聚焦于非相互作用系统，而如何利用磁子（magnon）与光子（photon）的强耦合特性实现拓扑态操控，成为关键科学问题。

为解决这一挑战，中国某高校的研究团队提出了一种创新性方案：在一维腔磁子链中，通过交替排列的裂环谐振腔（SRR）和钇铁石榴石（YIG）球体构建拓扑结构。该模型利用SRR的微波腔模式与YIG中磁子模式的电磁耦合，首次实现了对拓扑光子态的精准触发与检测。相关成果发表于《Optics》期刊，为拓扑量子器件的开发奠定了理论基础。

研究团队采用三项核心技术：1）可调谐SRR-YIG链的哈密顿量建模，通过周期参数θ调控耦合强度g₁=1+cosθ与g₂=1-cosθ；2）基于能量谱和边缘态分析的拓扑相变识别；3）通过平均光子数及反射系数相位绕数（Winding Number of Reflection Coefficient Phase, WNRCP）实现拓扑不变量检测。

模型与哈密顿量
系统由n+1个SRR模式与n个YIG球体构成，哈密顿量包含磁子（H_m）、腔模（H_c）、磁子-腔模耦合（H_m-c）及腔间耦合（H_c-c）四项。通过调节外部磁场和YIG位置，实现电磁相互作用强度的动态控制。

能谱与边缘态
当θ从0到2π变化时，能谱显示明显的拓扑相变特征（图2）。红蓝线标记的边缘态跨越带隙，证实系统存在受拓扑保护的量子通道。特别地，当g₁/g₂比值变化时，系统呈现从平庸态到非平庸态的转变。

拓扑光子态检测
通过计算平均光子数分布，团队发现边缘态对应局域光子密度峰值。WNRCP分析进一步揭示：绕数变化与拓扑不变量直接相关，为实验检测提供了可量化指标。

缺陷鲁棒性验证
小缺陷下边缘态保持稳定，而大缺陷导致能带混杂。这一结果证实了拓扑保护机制的有效性，但提示实际应用中需控制缺陷尺度。

结论与展望
该研究首次在一维腔磁子链中实现了拓扑光子态的触发与检测，其创新点在于：1）提出SRR-YIG交替结构作为可扩展拓扑平台；2）建立WNRCP与拓扑不变量的关联检测方法；3）验证缺陷鲁棒性的临界条件。这不仅深化了对关联拓扑物理的理解，更为基于磁子的量子存储器、拓扑激光器等器件设计提供了理论框架。未来，通过集成超导量子电路或NV色心（nitrogen-vacancy center），该系统有望实现拓扑-自旋混合量子比特的操控，推动量子网络通信的实用化进程。

（注：全文细节均源自原文，专业术语如SSH模型、PT对称性等保留原始表述；作者名Lü Xiang等按原文格式呈现；数学符号如H_B、g₁等严格遵循原文上下标规范。）