首個三維光學拓撲絕緣體研制成功 有望大幅度提高光子在波導中的傳輸效率

日前，浙江大學信息與電子工程學院教授陳紅勝課題組成功研制出首個三維光學拓撲絕緣體，將三維拓撲絕緣體從費米子體系擴展到了玻色子體系，有望大幅度提高光子在波導中的傳輸效率。研究成果今日于《自然》雜志正式發表。

這項研究由浙江大學陳紅勝教授課題組和新加坡南洋理工大學教授Baile Zhang、Yidong Chong課題組合作共同完成，浙江大學信息與電子工程學院博士楊怡豪為論文第一作者，陳紅勝和教授Baile Zhang、Zhen Gao為共同通訊作者，浙江大學為第一完成單位。

此前，三維光學拓撲絕緣體的研究在該領域仍是空白，光學拓撲絕緣體的實驗研究僅局限于二維空間。據悉，在二維空間下，表面波傳播時只有一維單向的拓撲邊界態，而表面波在三維光學拓撲絕緣體中傳播時，其拓撲表面態表現為二維無質量狄拉克費米子。“實驗實現三維光學拓撲絕緣體十分重要，將推動該新興領域的發展。”《自然》匿名評審專家在評價該研究時說。

電磁雙各向異性介質單元(圖片由課題組提供)

光是生活中常見的電磁波，不僅能夠在空中傳播，也可在引導電磁波的波導器件中傳播，或在兩層介質交界面處沿著界面傳播，即表面波。電磁波在這些波導或者介質交界面傳播時，如遇到缺陷、雜質、波導拐彎等，會產生不可避免的散射，從而造成能量損耗，這將極大地降低波導的傳輸效率。

為了解決這一難題，在研究過程中，楊怡豪博士等巧妙地設計提出了一種由多個開口諧振器構成的電磁單元結構，該電磁單元結構具有很強的電磁雙各向異性特性，這是實現寬頻帶三維光學拓撲絕緣體并使實驗最終得以成功驗證的關鍵。

課題組負責人介紹，在最終確定三維光學拓撲絕緣體前，團隊也根據光子的特性搭建了電磁波三維掃場平臺，進行實驗驗證。通過對三維光學拓撲絕緣體內部及表面電磁場分布成像，提取電磁波模式的色散特征，該研究團隊在實驗中成功地觀測到了該材料的三維能隙，以及具有二維狄拉克錐形式的表面態——這些正是三維光學拓撲絕緣體的關鍵特征。

表面波無障礙地繞過Z型拐角(圖片由課題組提供)

此外，由于表面光子受到拓撲保護，該三維光學拓撲絕緣體可以用來構建光子“高速公路”，讓光子在傳輸過程中，不被雜質、缺陷或者拐角影響，或者說，各類缺陷“隱身”了。為了對上述理論進行驗證，該研究團隊通過對三維曲面上表面態的成像，實驗驗證了表面波在界面傳播時能夠無障礙地繞過Z型拐角。這一現象表明，對表面波來說，這些拐角就像被“隱形”不可見一樣，而能夠繞過拐角實現高效地傳播正是受益于三維光學拓撲絕緣體的拓撲保護特性。

據了解，這項研究實現的三維光學拓撲絕緣體，或可適用于三維拓撲光學集成電路、拓撲波導、光學延遲線、拓撲激光器以及其他表面波電磁調控器件中。由于將三維拓撲絕緣體從費米子體系擴展到了玻色子體系，該研究有望啟發其它波色子系統(如聲子及冷原子等)中三維拓撲絕緣體地實驗實現，對拓展三維拓撲態體系具有重要的意義。

有關負責人介紹，這項工作的共同作者還包括浙江大學博士生張莉、賀夢佳，新加坡南洋理工大學Ranjan Singh助理教授以及博士生Haoran Xue、Zhaoju Yang，他們也都在此工作中作出了重要貢獻。該工作受到國家自然科學基金委杰出青年基金項目、國家青年拔尖人才計劃等項目資助。