浙江大学陈红胜教授等联合研制首个三维光学拓扑绝缘体

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       近日，浙江大学陈红胜教授课题组和新加坡南洋理工大学张柏乐教授、Yidong Chong教授课题组合作成功研制了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。

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在传统电路（比如电子芯片）中，电子遇到杂质、缺陷或者拐角时，会产生散射，造成发热、损耗等问题。为了解决这个问题，科学家提出了一种新的材料结构——拓扑绝缘体。它的特性介于导体和绝缘体之间，其内部表现为绝缘体，而表面表现为导体。有趣的是，其表面电流源于材料内部电子能带的拓扑特性，能够对缺陷、拐角、无序等障碍“免疫”，故而实现电子的高效运输。拓扑绝缘体自提出以来一直是凝聚态领域的一大研究热点，2016年，诺贝尔物理学奖授予了三位物理学家，以表彰他们在拓扑相变和拓扑物态的理论研究方面做出的卓越贡献。

受凝聚态领域拓扑绝缘体概念的启发，科学家提出了光学拓扑绝缘体，将拓扑绝缘体的神奇特性拓展到了光学领域。拓扑光学为探索新型单向低散射光传输、光延迟线、拓扑光学激光、非线性拓扑光学等领域和学科发展带来新的契机。

然而光学拓扑绝缘体的实验研究仍然局限于二维空间。在这些二维光学拓扑绝缘体中，光子在第三个方向上（面外）的约束是通过非拓扑的平庸方法获得的。能否在拓扑光学体系中实现三个方向上的拓扑非平庸约束，进而实现三维光学拓扑绝缘体，是一个重要的学术前沿问题。

针对这个难题，陈红胜课题组和张柏乐、Yidong Chong课题组联合攻关，首次在实验上实现了具有宽频带拓扑能隙的三维光学拓扑绝缘体。在设计三维光学拓扑绝缘体时，该团队提出并设计了具有很强电磁双各向异性特性的开口谐振器结构电磁材料，该电磁单元结构由于Z方向上的空间反演对称性破坏，引入了电磁双各向异性（bi-anisotropic）耦合，起到了类似Kane-Mele 自旋轨道耦合（SOC）作用（图1），这是实现宽频带三维光学拓扑绝缘体并使其得以实验验证的关键。

图1 电磁双各向异性单元构成的三维光学拓扑绝缘体

三维拓扑绝缘体的本质特征在于材料体内具有三维能隙，而材料表面具有二维狄拉克锥形式的能带。该团队利用先进的电磁波三维扫描成像技术，对三维拓扑结构内部及畴壁面电磁波成像，并提取电磁波模式的色散特征。利用上述手段，该团队成功地在实验中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，如图2所示。

图2 三维光学拓扑表面态能带图及其等频带

由于光子受到三个方向上的拓扑保护，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。为了对上述理论进行验证，该研究团队通过对三维弯折面上拓扑表面态的成像，实验验证了表面波在界面传播时能够无障碍地绕过Z型畴壁拐角，如图3所示。这一现象表明，对表面电磁波来说，这些拐角就像被“隐形”一样，而能够绕过拐角实现高效传播正是受益于三维光学拓扑绝缘体的拓扑保护特性。

图3 高稳健性的拓扑表面态传输

该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，该研究有望启发其他波色子系统（如声子及冷原子等）中三维拓扑绝缘体的实验实现，对拓展三维拓扑态体系具有重要的意义。

相关成果以Realization of a three-dimensional photonic topological insulator为题发表在Nature [565, 622–626 (2019)]上。这项研究的第一作者为浙江大学信息与电子工程学院杨怡豪博士，陈红胜教授、高振博士、张柏乐教授为共同通信作者，浙江大学为第一单位。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的资助。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-018-0829-0

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