北京時間1月10日凌晨，國際頂級期刊《自然》報導了浙江大學信息與電子工程學院陳紅勝教授課題組的一項最新研究。課題組在國際上研製成功了首個三維光學拓撲絕緣體，將三維拓撲絕緣體從費米子體系擴展到了玻色子體系，有望大幅度提高光子在波導中的傳輸效率。
三維光學拓撲絕緣體
這項研究由浙江大學陳紅勝教授課題組和新加坡南洋理工大學Baile Zhang教授、Yidong Chong教授課題組合作共同完成，浙江大學信息與電子工程學院楊怡豪博士為論文第一作者，陳紅勝教授和Baile Zhang教授、Zhen Gao博士為共同通訊作者，浙江大學為第一完成單位。
共同追求，
讓電磁波傳播受到的幹擾降到最低
光是生活中常見的電磁波，不僅能夠在空中傳播，也可以在引導電磁波的波導器件中傳播，或者在兩層介質交界面處沿著界面傳播，即表面波。電磁波在這些波導或者介質交界面傳播時，如遇到缺陷、雜質、波導拐彎等，會產生不可避免的散射，從而造成能量損耗，這將極大地降低波導的傳輸效率。
表面波遇到缺陷、雜質或者波導拐彎等，會產生不可避免的散射
然而，表面波傳播是光學導波器件中非常重要的導波基礎，實現對這些雜質、缺陷、或者拐角「隱身」，能夠對缺陷和拐角等「免疫」，從而使電磁波傳播不受其影響的新穎波導在未來具有重大的應用前景。
2016年底，還是博士研究生的楊怡豪就為解決這一難題開始研究，前瞻的研究領域+「零的突破」的挑戰+新型人工電磁材料結構設計的豐富經驗，讓楊怡豪以及課題組一開始就為研製首個三維光學拓撲絕緣體卯足了力量。
眾所周知，在傳統電路（比如電子晶片）中也經常碰到，電子遇到雜質、缺陷或者拐角時，會產生散射，造成發熱、損耗等問題。為了解決這個問題，科學家提出了一種新材料——拓撲絕緣體。這種材料特性介於導體和絕緣體之間，其內部表現為絕緣體，而材料表面表現為導體。有趣的是，其表面電流源於材料內部電子能帶的拓撲特性，能夠對缺陷、拐角、無序等「免疫」，故而實現電子的高效運輸。拓撲絕緣體自提出以來一直是凝聚態領域的一大研究熱點，關於拓撲物質的研究工作榮獲了2016年的諾貝爾物理學獎。
受拓撲絕緣體的啟發，科學家提出了光學拓撲絕緣體，成功將拓撲絕緣體的神奇特性拓展到了光學系統。科學家們已經從理論上證明，表面波在光學拓撲絕緣體傳播時，能夠繞過缺陷、拐角，實現高效地傳播。
然而，在浙大陳紅勝課題組的這項研究成果發表前，三維光學拓撲絕緣體的實驗研究仍然是空白，光學拓撲絕緣體的實驗研究還局限於二維空間。
這部分原因在於，光子與電子有著本質的不同：光子為整數自旋的玻色子，電子為半整數自旋的費米子，因此不能簡單地把電子三維拓撲絕緣體的設計拓展到光學體系。
那麼為什麼科學家依然要鍥而不捨地研究三維光學拓撲絕緣體呢？這是因為光學拓撲絕緣體的實驗研究局限於二維空間，在二維光學拓撲絕緣體中，表面波傳播時只有一維單向的拓撲邊界態，而表面波在三維光學拓撲絕緣體中傳播時，其拓撲表面態表現為二維無質量狄拉克費米子。
因此，《自然》雜誌的匿名評審專家，評價這項研究工作時指出，實驗實現三維光學拓撲絕緣體十分重要，將推動該新興領域的發展。
特殊結構，讓缺陷「隱身」
針對現有的重重難題，陳紅勝課題組和BaileZhang、Yidong Chong研究組等構成的國際聯合研究團隊，通過聯合攻關，首次實驗實現了具有寬頻帶拓撲能隙的三維光學拓撲絕緣體。在這一研究過程中，楊怡豪博士巧妙地設計提出了一種由多個開口諧振器構成的電磁單元結構，該電磁單元結構具有很強的電磁雙各向異性特性，這是實現寬頻帶三維光學拓撲絕緣體並使實驗最終得以成功驗證的關鍵。
電磁雙各向異性介質單元
三維光學拓撲絕緣體的設計過程並非一帆風順，也有過多次失敗。但是楊怡豪憑藉團隊在新型人工異向介質材料上雄厚的研究基礎，經過十幾個版本迭代，歷時幾個月設計出了電磁雙各向異性介質單元。
楊怡豪在做微波實驗
那麼，浙大陳紅勝課題組提出的三維結構，是不是三維光學拓撲絕緣體？這是一個重要的問題，需要得到實驗驗證。
三維拓撲絕緣體的本質特徵在於材料體內具有三維能隙，而材料表面具有二維狄拉克錐形式的能帶。過去科學家們驗證電子拓撲絕緣體需要購買高昂的檢測設備。這一次，這一國際聯合團隊根據光子或者說電磁波的特性搭建電磁波三維掃場平臺，進行了實驗測試。他們通過對三維光學拓撲絕緣體內部及表面電磁場分布成像，提取電磁波模式的色散特徵，該研究團隊在實驗中成功地觀測到了該材料的三維能隙，以及具有二維狄拉克錐形式的表面態——這些正是三維光學拓撲絕緣體的關鍵特徵。
表面波無障礙的繞過Z型拐角
由於表面光子受到拓撲保護，該三維光學拓撲絕緣體可以用來構建光子「高速公路」，讓光子在傳輸過程中，不被雜質、缺陷或者拐角影響，或者說，各類缺陷「隱身」了。為了對上述理論進行驗證，該研究團隊通過對三維曲面上表面態的成像，實驗驗證了表面波在界面傳播時能夠無障礙地繞過Z型拐角。這一現象表明，對表面波來說，這些拐角就像被「隱形」不可見一樣，而能夠繞過拐角實現高效地傳播正是受益於三維光學拓撲絕緣體的拓撲保護特性。
這項研究實現的三維光學拓撲絕緣體，或可適用於三維拓撲光學集成電路、拓撲波導、光學延遲線、拓撲雷射器以及其他表面波電磁調控器件中。由於將三維拓撲絕緣體從費米子體系擴展到了玻色子體系，該研究有望啟發其它波色子系統（如聲子及冷原子等）中三維拓撲絕緣體的實驗實現，對拓展三維拓撲態體系具有重要的意義。
這項工作的共同作者還包括浙江大學博士生張莉、賀夢佳，新加坡南洋理工大學Ranjan Singh助理教授以及博士生Haoran Xue、Zhaoju Yang，他們也都在此工作中作出了重要貢獻。該工作受到國家自然科學基金委傑出青年基金項目、國家青年拔尖人才計劃等項目資助。
課題組成員合影
文字記者：柯溢能
圖片來源於課題組
今日編輯：芷凌
責任編輯：李靈