三维光学拓扑绝缘体研制成功有望建成光子的“高速公路”

　　日前，浙江大学信息与电子工程学院教授陈红胜课题组成功研制出首个三维光学拓扑绝缘体，将三维拓扑绝缘体从费米子体系扩展到了玻色子体系，有望大幅度提高光子在波导中的传输效率。研究成果今日于《自然》杂志正式发表。

　　这项研究由浙江大学陈红胜教授课题组和新加坡南洋理工大学教授Baile Zhang、Yidong Chong课题组合作共同完成，浙江大学信息与电子工程学院博士杨怡豪为论文第一作者，陈红胜和教授Baile Zhang、Zhen Gao为共同通讯作者，浙江大学为第一完成单位。

　　此前，三维光学拓扑绝缘体的研究在该领域仍是空白，光学拓扑绝缘体的实验研究仅局限于二维空间。据悉，在二维空间下，表面波传播时只有一维单向的拓扑边界态，而表面波在三维光学拓扑绝缘体中传播时，其拓扑表面态表现为二维无质量狄拉克费米子。“实验实现三维光学拓扑绝缘体十分重要，将推动该新兴领域的发展。”《自然》匿名评审专家在评价该研究时说。

电磁双各向异性介质单元（图片由课题组提供）

　　光是生活中常见的电磁波，不仅能够在空中传播，也可在引导电磁波的波导器件中传播，或在两层介质交界面处沿着界面传播，即表面波。电磁波在这些波导或者介质交界面传播时，如遇到缺陷、杂质、波导拐弯等，会产生不可避免的散射，从而造成能量损耗，这将极大地降低波导的传输效率。

　　为了解决这一难题，在研究过程中，杨怡豪博士等巧妙地设计提出了一种由多个开口谐振器构成的电磁单元结构，该电磁单元结构具有很强的电磁双各向异性特性，这是实现宽频带三维光学拓扑绝缘体并使实验最终得以成功验证的关键。

　　课题组负责人介绍，在最终确定三维光学拓扑绝缘体前，团队也根据光子的特性搭建了电磁波三维扫场平台，进行实验验证。通过对三维光学拓扑绝缘体内部及表面电磁场分布成像，提取电磁波模式的色散特征，该研究团队在实验中成功地观测到了该材料的三维能隙，以及具有二维狄拉克锥形式的表面态——这些正是三维光学拓扑绝缘体的关键特征。

表面波无障碍地绕过Z型拐角（图片由课题组提供）

　　此外，由于表面光子受到拓扑保护，该三维光学拓扑绝缘体可以用来构建光子“高速公路”，让光子在传输过程中，不被杂质、缺陷或者拐角影响，或者说，各类缺陷“隐身”了。为了对上述理论进行验证，该研究团队通过对三维曲面上表面态的成像，实验验证了表面波在界面传播时能够无障碍地绕过Z型拐角。这一现象表明，对表面波来说，这些拐角就像被“隐形”不可见一样，而能够绕过拐角实现高效地传播正是受益于三维光学拓扑绝缘体的拓扑保护特性。

　　据了解，这项研究实现的三维光学拓扑绝缘体，或可适用于三维拓扑光学集成电路、拓扑波导、光学延迟线、拓扑激光器以及其他表面波电磁调控器件中。由于将三维拓扑绝缘体从费米子体系扩展到了玻色子体系，该研究有望启发其它波色子系统（如声子及冷原子等）中三维拓扑绝缘体地实验实现，对拓展三维拓扑态体系具有重要的意义。

　　有关负责人介绍，这项工作的共同作者还包括浙江大学博士生张莉、贺梦佳，新加坡南洋理工大学Ranjan Singh助理教授以及博士生Haoran Xue、Zhaoju Yang，他们也都在此工作中作出了重要贡献。该工作受到国家自然科学基金委杰出青年基金项目、国家青年拔尖人才计划等项目资助。