光子学中合成维度（synthetic dimension in photonics）的概念在最近几年被研究者提出并受到了广泛的关注，是当前光子学乃至整个光学研究领域中的一个新兴的蓬勃发展的方向【1】。在动态调制下的光学谐振腔中，利用光的频率自由度来搭建合成维度的想法经过多年的探索与论证，被发现具有非常大的潜力，并于最近在实验中被证实【2】。而如何在单个光学腔（零维）中构建一个二维的人工合成空间也在理论上首先予以了初步论证【3】。

近日，在单个光学腔中搭建两个独立的合成维度的设想在实验上首次被实现。在该二维合成空间中，光场的等效磁规范势（effective magnetic gauge potential）以及拓扑单向边界流（topological chiral one-way edge current）等与霍尔梯子晶格（Hall ladder）对应的重要物理现象也在实验中被观察到。该项工作在实验上证实了高维度的、复杂的物理效应能够通过构建多个合成维度、于一个简单的光学系统中被实现和研究，从而大大丰富了合成维度概念的应用前景。同时，这些物理效应也能被用来寻求多样的光场操控的可能性。

图：直接观察到与合成霍尔梯子晶格相关的光场单向边界流

相关成果于2019年11月28日在Science上以预印版（First release）的形式在线发表（DOI: 10.1126/science.aaz3071），标题为“A single photonic cavity with two independent physical synthetic dimensions”。美国斯坦福大学的Shanhui Fan教授和上海交通大学物理与天文学院的袁璐琦特别研究员为该论文的共同通讯作者。斯坦福大学的Dutt博士为论文的第一作者。合作者还包括武汉大学的肖孟教授。该项目得到中国自然科学基金面上项目（11974245）的资助。

原文链接：

https://science.sciencemag.org/content/early/2019/11/25/science.aaz3071

参考文献：

【1】 L. Yuan, Q. Lin, M. Xiao, and S. Fan, “Synthetic dimension in photonics,” Optica 5, 1396 (2018).

【2】 A. Dutt, M. Minkov, Q. Lin, L. Yuan, D. A. B. Miller, and S. Fan, “Experimental band structure spectroscopy along a synthetic dimension,” Nat. Commun. 10, 3122 (2019).

【3】 L. Yuan, Q. Lin, A. Zhang, M. Xiao, X. Chen, and S. Fan, “Photonic gauge potential in one cavity with synthetic frequency and orbital angular momentum dimensions,” Phys. Rev. Lett. 122, 083903 (2019).