SUSTech科研说 | “一往无前”的光：陈绝缘体进入三维时代

光的传播在生活中时刻都在发生。然而，光的传播对环境要求却是极高的。光在传播过程中如果遇到障碍物，就有可能被反射或散射到其他方向上去。

但是有这么一束光，它即使碰到障碍物，也能完美绕过且不会发生任何反射和散射，义无反顾，一往无前。

近日，南方科技大学电子与电气工程系高振副教授课题组联合中国和新加坡多家单位的合作研究成果，宣告了首个三维陈绝缘体的实验实现。研究成果以“三维光子晶体中的拓扑陈矢量”（Topological Chern vectors in three-dimensional photonic crystals）为题发表在国际顶级期刊Nature上。

高振在办公室

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什么是拓扑光子学？ 

“当你开着一辆汽车通过一个90度的拐角或一个路障时，如果不减速汽车会由于惯性冲出道路或撞击路障。光也一样，在遇到尖锐拐角或障碍时会发生严重的散射和反射。拓扑光子学的出现可以很好地解决这个问题，使得光可以单向、高效、鲁棒地传播，就像车辆行使全程可以不减速地通过尖锐拐角、完美绕过路障。”高振如此解释这样一种单向光的存在。

在这种单向波导中，如图1所示，光在从A端口往B端口传播过程中，即使碰到障碍物，也能完美绕过它且不会发生任何背向散射，因为从B到A方向传播被完全禁止。那么，这束光，将“一往无前”地从A端口传播到B端口而不会有任何反射。

图1：双向波导和单向波导区别

基于此目的，2005年，美国普林斯顿大学F. D. M. Haldane教授（2016年获诺贝尔物理学奖）等人提出可以构造一种非互易拓扑光子晶体实现光的单向传输。这种非互易拓扑光子晶体与凝聚态物理中的量子反常霍尔效应均属于陈绝缘体，在他们的边界上都拥有单向传输的手性边缘态(chiral edge state)。

之后，美国麻省理工学院的Marin Soljačić教授课题组加工制作出了这种二维光学陈绝缘体，并通过实验直接验证了一维单向手性边缘态的存在。

此后，便诞生了拓扑光子学这一以研究光学体系中的拓扑态为主要内容的前沿研究领域，同时也催生了拓扑声学、拓扑力学、拓扑电路等诸多研究方向。手性边界态能够绕过任何缺陷、杂质、无序、尖锐弯角等障碍物，实现完全无反射的单向传输。

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率先将陈绝缘体的研究推进三维时代   

高振介绍，在过去十年间，拓扑光子学发展迅猛，具有单向边缘态的陈绝缘体相继在不同体系被发现。然而，它们都只局限于二维体系。相比于三维量子霍尔效应和三维量子自旋霍尔效应的蓬勃发展，三维陈绝缘体尚未在任何体系中被发现。

“然而，得益于拓扑光子学的蓬勃发展，我们却有可能先一步在光学体系中实现三维陈绝缘体。”基于此背景，高振及其合作者首次在三维磁性光子晶体中实现了三维陈绝缘体，率先将陈绝缘体的研究推进三维时代。

在本项工作中，利用三维磁性光子晶体的特性，研究者可以直接通过三维电磁近场扫描获得拓扑表面态的等频面（类似于电子体系中费米面）。实验结果如图2所示。不加磁场时，带隙中没有表面态，对应拓扑平庸态。当磁场强度为0.2 T时，可以观测到单条费米弧表面态。这是单条费米弧首次被实验发现。增大磁场到0.35 T，两个外尔点往布里渊区边界方向移动。继续增加磁场，这一对具有相反拓扑荷的外尔点相互湮灭，从而将三维磁性光子晶体从拓扑半金属相变成拓扑绝缘体，诞生了一个全新的拓扑态——三维陈绝缘体。不同于外尔半金属的费米弧（Fermi arc）表面态，三维陈绝缘体的表面态拥有贯穿整个表面布里渊区的费米环（Fermi loop）表面态。这种费米环表面态同样具有手性特征，能沿着某个方向上始终保持单向鲁棒传输。

图2：不同磁场强度下仿真和实验获得的拓扑手性表面态

该工作标志着陈绝缘体正式进入三维时代。从基础物理层面讲，这一寻找多年的拓扑态终于被实验发现，极大地扩充了拓扑家族的成员。此外，数学体系中的纽结与链环概念首次在物理体系中被实验观测到，极大地加强了数学拓扑与物理拓扑之间的内在联系。从实际应用层面讲，三维陈绝缘体的手性拓扑表面态具有受拓扑保护的单向、鲁棒传输特性，可对任何缺陷、杂质、无序、尖锐拐角等障碍免疫而具有绝对鲁棒性。未来无论是大容量、高效率、低损耗电磁信息传输还是拓扑计算，三维陈绝缘体都将是一个不可或缺的重要成员。得益于光学体系的优异特性，这项工作不仅实验验证了一系列过去的理论预言，而且发现了一些过去理论层面尚未触及到的新奇物理现象。

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科研传承更是精神传承   

高振办公室的墙壁上挂着一幅书法，写着“功崇惟志业广惟勤，艰难困苦玉汝于成”。他介绍说在他的博士导师张柏乐教授办公桌边上的粘贴板也有一张用圆珠笔写的小纸条，上边是张教授的博士导师，已故麻省理工学院孔金瓯教授送给他的“天道酬勤”四个字。回忆起求学生涯，老师的榜样力量无疑对高振影响最为深远，也是在他看来最为宝贵的经历：“我的老师对于工作和科研的态度让我十分敬佩，他不仅让我懂得无论做什么都必须要付出持续艰苦的努力，而且教会了我如何去触摸科学的前沿边界，应该去做什么样的研究才是真正重要且有意义的。”

博士生涯结束后，高振有过一段创业经历。公司只需要稳定可靠的工程技术迭代，无需过多考虑科学与创新。“但实际上我更热爱科学研究中的未知和变化，希望向尚未有人触及的前沿领域探索，以取得令人激动的发现和突破。”于是两年后，他从公司离开加入了南科大，回到他心爱的科研工作中来。

在南科大，他感受到无论是学校的建筑风格还是师生员工，都给人一种年轻朝气的感觉：“生机蓬勃的校园环境可以给予青年科学家积极的潜移默化的影响。”在这里读书学习的同学们，本科入学的第一年不分专业，可以有足够的时间去探索自己的兴趣，发现自己的热爱。高振认为这一点非常重要，他投身于拓扑光子学的研究，正是源于一开始对于拓扑光学理论的好奇：“人的强大自驱力来源于对某种事物的强烈兴趣，这种兴趣可以让你在漫长而艰苦的学习工作中不以为苦，反以为乐。”

高振在实验室

在南科大整个浓厚科研氛围的带领之下，同学们从本科期间就可以接触到科研。除了兴趣驱动之外，高振认为从事科学研究还要有广阔的视野。“我觉得就跟登山一样，‘不畏浮云遮望眼，只缘身在最高层’，只有攀登到山顶，才可以看清楚领域发展的最前沿边界到底在哪里，还有什么重大的问题等待我们去解决。”他鼓励同学们阅读大量的文献，从而对整个研究领域甚至多个交叉领域有全面的认知和深刻的洞察，以寻找发现重大问题的机会。“前沿的科学研究有时候看起来没什么用，但实际上在某种程度上极大地拓展了我们对整个物质世界和精神世界的认知，这种‘无用之用’，有时候才是真正的大用。”

课间他喜欢跟同学们聊天，丰富曲折的人生经历，也让作为书院导师和学术导师的他在面对学生的困惑时，有了更多值得分享的经验：“我常常跟同学们说，人生是一场马拉松，一时一事的得失并不重要，最重要的是要保持对未来强烈的期待，并为之付出持续的艰苦努力。”这也是他的老师教给他的道理，他从不吝啬与学生们分享：“10年前我的导师给了我重新开始人生新征程的机会，我现在也愿意把机会给我的学生。”

“期待三维陈绝缘体能够在凝聚态体系中尽早被发现，将拓扑家族成员进一步完善。”高振和他的团队希望在未来，可以在三维拓扑光子晶体领域内实现更多突破。就像高振的博士导师在新年祝福时回复他的话“可以慢，不要停”，朝着一个坚定的目标，抱着对未来强烈的期待，像一束“一往无前”的光一样，在人生和科研的道路上勇往直前。

高振简介

高振，南方科技大学副教授。分别于2009年和2012年获得浙江大学工学学士和工学硕士学位，2018年获得新加坡南洋理工大学物理与应用物理学博士学位。2021年4月加入南方科技大学，担任电子与电气工程系副教授。主要研究方向包括电磁场理论与应用、光子晶体、人工表面等离激元、超构材料、拓扑光学/声学/电路、太赫兹光学等。以第一作者及通讯作者身份在Nature、Nature Communications、Physical Review Letters、Advanced Materials等期刊共发表30余篇学术论文，总引用超过2200多次，h-index为20，三篇论文入选ESI高被引论文。相关研究成果多次被国内外科技媒体作为亮点报道。此外，他还获得2020年国家特聘青年专家、2016年中国国家优秀自费留学生奖、2019年中国光学十大进展、深圳市国家级领军人才等荣誉。

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--- 南方科技大学 ---

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资料来源：电子与电气工程系

通讯员：李佰英

主图：丘妍

摄影：王璇

采写编辑：杨奂彦

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