科研速递 | 理工学院解碧野教授联合南京大学詹鹏教授和卢明辉教授团队在Laser&Photonics Reviews上发表成果

近日，理工学院解碧野教授联合南京大学詹鹏教授和卢明辉教授团队在高阶拓扑光子晶体领域取得突破，相关成果以“Phase-Engineering Strategy for Multidimensional Light Steering in a Photonic Higher-Order Topological Insulator”为题发表于Laser & Photonics Reviews上。

期刊简介

Laser & Photonics Reviews为Wiley旗下的光学领域顶级期刊，其2021年影响因子为10.947，JCR分区Q1。

01 研究背景

在集成光子器件中，灵活地引导不同维度的光是实现光通信和光子计算最重要的任务之一。高阶拓扑绝缘体（HOT）因其独特的多维边界态，如一维棱态和零维角态而登上集成光器件的研究舞台。然而大多数研究局限于拓扑边界态的静态物理性质（例如体边对应关系与赝自旋自由度），所以在不改变器件几何和结构的情况下，可控的多维边界态激发对于实际应用至关重要并仍有待进一步探索。本研究提出了一种有效的方法可以在保持光子结构不变的情况下调制HOT的边界态与角态，继而可在具有固定配置的集成拓扑光子器件中灵活地操纵光。

02 研究方法

文章中作者基于六重旋转对称光子晶体，通过改变光子晶体原胞中介质柱的位置实现了拓扑相（扩张晶格实现非平凡相，收缩晶格实现平凡相），继而利用扩张晶格与收缩晶格不同角度的拼接结构得到了不同奇偶相位的高阶拓扑态（图1），从而提供了对角态及外部可控激发的研究基础。作者发现拓扑角态的激发依赖于协同点源的归一化模态以及对应角态的重叠积分，因此在拼接角度为60度而协同点源的相位差为0得到了角态，而相位差为π时角态消失，同时在拼接角度为120度时结果刚好相反（图2）。更为有趣的是，基于可控角态激发作者提出了一种二维光子晶体二进制编码的办法，即角态的“off”与“on”分别对应于“0”和“1”，可通过调控不同相位差点源来控制角态模式的有无（图3）。同时，作者也能对双角态进行选择性激发，通过模拟不同相位差点源的场分布发现在点源相位差为0.88π与归一化频率为0.588时，仅能激发左处角态（图4）。除此之外，本文研究了对边界态的选择性激发，通过不同的相位差点源（0.76π与1.24π）分别激发了左边界态与右边界态（图5）。

图1. 基于对称性的角态选择性激发示意图

图2. 不同点源激发控制角态模式

图3. 多角态控制和编码

图4. 双角状态的耦合和控制

图5. 拓扑边缘态的方向选择激发

03 研究结论

在此工作中，本文从理论上提出并实验证明了一种基于相-工程点源控制二维高阶拓扑绝缘体多维边界态激发的简单方案。通过控制点源的相位差，我们可以在不改变点源的几何形状、材料和位置的情况下，选择性地激发某些拓扑角状态。具体地说，该文章研究了源-相位工程在单角、双角和多角结构中对状态激发的操纵。另外，文章还演示了一种方法在不使用赝自旋极化源的情况下实现一维边缘态的方向选择激发。该结果提供了一个前所未有的光操纵和拓扑状态可控激发方案，这可能支持集成拓扑电路和光通信的潜在应用。

04 作者简介

解碧野教授，卢明辉教授，詹鹏教授为本文共同通讯作者。

解碧野教授2013年本科毕业于中国科学技术大学凝聚态物理专业，2017年博士毕业于香港大学物理系，2018-2022年分别在南京大学现代工程与应用科学学院和香港大学物理系从事博士后研究工作， 2022年3月加入香港中文大学（深圳）理工学院担任助理教授 (Tenure-track Assistant Professor)。曾获得香港大学UPF奖学金（2013），人工微结构科学与技术协同创新中心优秀博士后奖A类（2019）。解碧野教授已以第一作者或通讯作者（包括共同）在国际高水平期刊Nat. Rev. Phys.，Nat. Comm.，Phys. Rev. Lett.，Light: Sci. & Appl.，Phys. Rev. B，Phys. Rev. Research，Opt. Express等国际期刊发表十余篇论文，并担任APS系列期刊（包括PRL，PRB，PRA等）和OSA系列期刊（包括Optica，Photonic Research，OE，OL等）的审稿人。

卢明辉教授2002年本科毕业于南京大学材料系专业，2007年获南京大学材料系博士学位，2014年至今担任南京大学教授。2013年入选“万人计划”青年拔尖人才，2014年获批“江苏省杰出青年基金”项目，2016年获批“国家自然科学基金杰出青年基金”，2018年入选“国家万人计划科技创新领军人才”。在国际核心期刊（SCI）上发表论文300余篇，发表文章包括Science，Nature Mater.，Nature Phys.，Phys. Rev. Lett.，Nature Commun.，PNAS，NSR等国内外一流期刊。现为Light Science & Applications杂志南京办公室负责人，Nature系列刊物，APS，AIP等学术期刊的杂志审稿人。

詹鹏教授2000年本科毕业于南京大学物理系晶体物理专业，2006年获南京大学凝聚态物理专业理学博士学位，2007年获得“江苏省优秀博士论文奖”及“全国优秀博士论文提名奖”。06至08年在南京大学电子科学与工程学院开展博士后研究，后留校任教。08年8月至09年10月在美国Northwestern University机械工程系进行博士后研究工作。2012年入选 “南京大学青年骨干教师”，2020年入选首批“南京大学青年名师名课培育计划”，曾获得南京大学中国银行奖教金（2012年）、同正奖教金（2018年、2020年）。在Phys. Rev. Lett.，Nat. Commun.，Adv. Mater.，Laser. Photon. Rev.，Phys. Rev. Appl./A/B，Opt. Lett./Express，Appl. Phys. Lett.，Small，ACS Nano，Langmuir等国际重要学术期刊上发表论文80余篇。参与发明并申请11项国家发明专利，有6项获得授权。研究工作获得2018年度江苏省科学技术奖一等奖（排名第三）。现任江苏省科协第十届委员会委员，江苏省光学学会常务理事、秘书长。

贾诗音为本文第一作者：

贾诗音，南京大学2022级博士研究生，长期从事拓扑光子学，高阶拓扑理论等研究。

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  排版 | 郑一旻 （理工学院 道扬书院）

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