31 歲的楊怡豪，負笈南洋求學之後，帶著博後期間的「顛覆級」成果，毅然選擇回到母校浙江大學工作。
2020 年末，其憑藉首次實驗實現三維光學拓撲絕緣體、實現基於太赫茲拓撲光學的片上通信以及在特製的三維聲子晶體中首次觀測到了自旋為 1 的外爾點等重大突破，浙江大學百人研究員楊怡豪成功入選《麻省理工科技評論》「35 歲以下科技創新 35 人」 2020 年中國區榜單。
圖 ｜ 《麻省理工科技評論》「35 歲以下科技創新 35 人」 2020 年中國區榜單入選者楊怡豪
「光」 與 「拓撲」 是楊怡豪研究的關鍵詞，從讀博開始，楊怡豪便開始從事與光學有關的研究。博士後研究期間，楊怡豪開始選擇拓撲光學作為自己的研究方向。
拓撲絕緣體：繼石墨烯之後的」Next Big Thing」
拓撲，是英文單詞 Topology 的中文音譯。Topology 原本是一個數學分支，其主要研究幾何圖形或空間、在連續變化下維持不變的性質，「莫比烏斯環」 就是一種很有意思的拓撲結構。
圖 | 一種重要的拓撲學結構：莫比烏斯帶（來源：IC photo）
在拓撲物理學中，最火熱的研究概念莫過於拓撲絕緣體，自 2007 年被發現以來，逐漸成為了凝聚態物理領域的一個新熱點，並被認為是繼石墨烯（2010 年諾貝爾物理學獎）之後的」Next Big Thing」，它對基礎物理的理解以及半導體器件的應用都有很大的價值。
2016 年，大衛?索利斯、鄧肯?霍爾丹 和麥可?科斯特利茨共同獲得了諾貝爾物理學獎，以表彰他們在理論上發現了物質的拓撲相變和拓撲相。該領域 最簡單的應用是電子拓撲絕緣體，簡單說就是一個有特殊結構的絕緣體，表層材料經特殊處理後可允許電子通過，而其內部是絕緣體還可防止漏電，製備出的器件功耗較低，因此在半導體器件上有著潛在應用價值。
而拓撲光學是一個新興的方向，它將拓撲自由度引入光學系統，從根本上改變人們對光的認識和利用。楊怡豪告訴 DeepTech ：「其實，光學拓撲絕緣體是電子拓撲絕緣體的泛式，它將電子拓撲絕緣體的概念運用到光學上。」
光學拓撲絕緣體（PTI，Photonic Topological Insulators）是對電子拓撲絕緣體的模擬，最直接的性質就是作為光的 「絕緣體」—— 不透光，但是邊界卻可以導光，即可以支持一種表面波模式。
因此，光學拓撲絕緣體能做成具有特殊功能的波導來傳遞光信號，例如有些光學拓撲絕緣體的表面波有單向傳播的特性，所以當它遇到障礙物時不會被反射，可以用來做成對雜質和缺陷免疫的波導。
圖 | 光學拓撲絕緣體，它的表面態可以對缺陷和障礙物免疫（來源：楊怡豪）
當然以上只是光學材料的表象，更深層的物理在於其能帶的拓撲特性。雖然能帶理論早已經被引入光學，並誕生了光子晶體，但是此前人們更關注的是光子晶體能帶的特徵值、即色散曲線。直到在受凝聚態的影響之下，人們才注意到能帶的特徵向量，即本徵模式。
首次三維光學拓撲絕緣體實驗驗證
前文提到的諾獎得主鄧肯?霍爾丹，是最早提出光學拓撲絕緣體的科學家之一。2005 年，霍爾丹試圖將拓撲絕緣體的理論拓展到光學體系，這一大膽想法曾引起質疑與爭議，論文直到 2008 年才發表在物理學頂刊 PRL 上，光學拓撲絕緣體的理論暌違三年終於正式問世。
2009 年，MIT 物理系科學家 Zhen Wang 和 Yidong Chong，首次通過實驗實現了二維光學拓撲絕緣體，開啟了光學拓撲絕緣體的實驗研究，相關論文發表在 Nature 上。然而，光學拓撲絕緣體的實驗研究，依然局限於二維空間，三維空間的相關研究尚屬空白。
圖 | 石墨烯結構（來源：楊怡豪）
2019 年，楊怡豪等人在 Nature 上發表文章《三維光子拓撲絕緣體的實現》 「Realization of a three-dimensional photonic topological insulator」 ，以成功的實驗驗證了三維光學拓撲絕緣體的研究成果，而這也是世上的首次。
文章中，楊怡豪等人提出了寬頻帶三維光學拓撲絕緣體的設計方法，實驗中他們創造性地採用有極強雙各向異性的開口諧振器構造單元結構，實現了極寬的三維光學拓撲帶隙，並探索了一套針對於三維拓撲光學絕緣體的測試方法，進而觀測到一種關鍵特徵 —— 三維完全帶隙及二維表面狄拉克錐。
此外，研究團隊基於三維光學拓撲絕緣體，研製了一種可對彎折曲面 「免疫」 的新型電磁波導。楊怡豪等人在實驗中也驗證了在三維光學拓撲絕緣體表面，光能繞過拐角實現高效地傳播，這一現象被稱作 「Z 型三維世界光子的高速公路」。
圖 | 表面波無障礙的繞過 Z 型拐角（來源：楊怡豪）
文章的通信作者之一、浙江大學陳紅勝教授，是楊怡豪博士時期的導師，也是後者入選《麻省理工科技評論》「35 歲以下科技創新 35 人」 2020 年中國區榜單的推薦人之一，他對於這項研究表示：「這便是『光子高速公路』的神奇之處。在這條高速公路上，無論道路多麼曲折，光子都能一往無前。」
在物理層面上，該成果率先把三維拓撲絕緣體從費米子體系拓展到了玻色子體系；在應用層面上，它實現了一個寬帶隙三維光學拓撲絕緣體，對三維拓撲光路、光學腔、雷射等應用有著極為重要的意義。該成果發表於 Nature，並被 Physics World、Phys.org、科學網、國家自然基金委等平臺報導，且入選為2019 年中國光學十大進展（基礎類）、2019 年中國光學領域十大社會影響力事件。
科學最後應當走向應用
業餘的楊怡豪還是一位知乎答主，他曾回答過 「什麼是光學拓撲絕緣體」 的問題，並成為 「專業認證」 的高贊回答。對於自己的研究領域，他表示：「我個人覺得，人們已經開始對純粹的新概念有些厭倦，光學拓撲絕緣體需要找到更多更好的應用。所以，從這個角度來說，光學拓撲絕緣體已經進入下半場，未來將會有更多做應用的人加入進來。」
在拓撲光學的應用上，他已經有所建樹，其開發了基於太赫茲拓撲光學的片上通信，對於實現可集成、高穩健性、低成本、高效的太赫茲片上波導有著重要意義，有望應用於下一代 6G 移動通信網絡、物聯網、晶片內及晶片間互聯（intra-/inter-chip interconnect）和太赫茲集成電路等。
太赫茲電磁波頻率在 0.1 至 10 太赫茲之間，隨著人們對高速通信日益增長的需求，太赫茲波由於能夠提供更寬的帶寬，也越來越被重視。
圖 | 基於光學拓撲絕緣體的太赫茲通信（來源：楊怡豪）
但是，目前的太赫茲波導難以滿足上述重大應用需求。基於此，楊怡豪等人將拓撲光學引入到太赫茲波，提出了太赫茲拓撲光學的概念，並設計實現了一種可集成、低損耗、高穩健性、低色散、單模的片上太赫茲拓撲波導。由於該波導的優良性能，研究團隊實現了高達 10 Gbit/s 的太赫茲片上通信，並進一步實現了無壓縮 4K 高清影像的實時傳輸，其開拓了太赫茲拓撲光學方向，基於拓撲光學的太赫茲器件的通信速率可進一步提高至 1 Tbit/s。該成果發表在國際頂級光學期刊 Nature Photonics，對無人駕駛、精密加工、全息通信、物聯網等應用極為重要。
下一階段，劍指 6G
日後，其 研究 工作將圍繞針對 6G 無線通信的應用展開 ，他 想 將太 赫茲光源、探測器、天線等集成到太赫茲光學拓撲絕緣體平臺，開發出能夠產生、調製、接收、解調的太赫茲無線收發器件，實現 100 Gbit/s 以上的無線通信速度。 另一方面，針對太赫茲晶片內 / 晶片間互聯，楊怡豪將開發基於光學拓撲絕緣體的太赫茲互聯技術，實現晶片內 / 晶片間 20 Gbit/s 以上的高速通信。
如今，楊怡豪博士結束了在新加坡南洋理工大學（NTU）的博士後工作，並已回國繼續從事科研。
NTU 的張柏樂教授，是楊怡豪的老師。 前者是 2012 年 《麻省理工科技評論》全球 「35 歲以下科技創新 35 人」的上榜者 ，8 年之後楊怡豪「接棒」該榜單，或許是這對師生互相致敬的最好方式。
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