拓撲絕緣體是一種內部絕緣、界面允許電荷移動的材料。在拓撲絕緣體的內部，電子能帶結構和常規的絕緣體相似，其費米能級位於導帶和價帶之間。在拓撲絕緣體的表面存在一些特殊的量子態，這些量子態位於塊體能帶結構的帶隙之中，從而允許導電。
當前對拓撲絕緣體及其經典波類似物（例如光子拓撲絕緣子）的理解主要基於拓撲帶理論。與此相反，中國和新加坡的科學家通過實驗顯示了基於玻璃狀無定形相的光子拓撲絕緣體，其帶結構不確定。研究還發現拓撲保護的持久性與玻璃到液體的轉變密切相關。拓撲和非晶性之間的這種相互作用為新型非晶體拓撲光子帶隙材料鋪平了道路。
拓撲的範式轉換概念不僅革新了凝聚態物理，而且為光子學、力學、聲學和許多其他領域打開了全新的篇章。在光子學中，光子拓撲絕緣體（PTI）是電子拓撲絕緣子的光子類似物，已實現了前所未有的令人興奮的光子功能。
這些拓撲系統，無論是基於凝聚態還是光子學，通常都基於基於周期性晶格的能帶結構來獲得其拓撲特性。另一方面，自然界中廣泛存在沒有周期性原子晶格的光子非晶相（例如，玻璃、聚合物和凝膠）。這些無定形系統的性質取決於其原子/分子的短程連通性，而不是長程周期性。
在《光科學與應用》上發表的一篇新論文中，由中國電子科技大學的周培恆教授和鄧龍江教授帶領的一組科學家，南洋理工大學的莊毅東教授和張百樂教授通過實驗實現了非晶態。光子拓撲絕緣體是基於Chern編號的非晶體變體。他們的研究證明了拓撲和短程有序之間的有趣相互作用，尤其是在玻璃化轉變期間。他們的工作是首次研究使用這種光子結構的非晶光子拓撲絕緣體。他們還發現，光子拓撲邊緣狀態的消失是指玻璃化轉變。這些見解對於在其他物理環境（例如聲學）中實現非晶拓撲絕緣體可能很有用。
如上圖所示，a，實驗裝置示意圖。頂板在方格中包含圓柱孔。探頭和源極天線（1和2）通過這些孔插入波導中。波導的三個側面都包裹有金屬壁，這些金屬壁充當了完美的電導體邊界。另一面被微波吸收器覆蓋。 b-e，測得的| Ez |光子晶格中的場分布。拓撲邊緣狀態從晶體PTI到非晶PTI（玻璃狀2）持續存在。
非晶態光子拓撲絕緣體由迴旋磁棒組成，迴旋棒以計算機生成的非晶晶格圖案排列並被磁偏置以破壞時間反轉對稱性。通過對銅平行板波導中的PTI執行邊緣/體傳輸和近場分布測量，可以在玻璃化轉變開始之前通過實驗驗證非晶光子拓撲絕緣體中存在穩健的拓撲邊緣狀態。通過使非晶晶格進一步變形為液體晶格，可以觀察到遷移率間隙的閉合和拓撲邊緣狀態的消失。這些科學家總結了其拓撲系統的特徵。
如下圖所示，a-b，具有不同結構相關性的粒子圖案a和相應的光子晶格b。晶格同時具有遠距離和近距離有序。玻璃狀晶格具有很強的短程有序性。液體狀晶格產生弱的短程有序。 c，用於不同晶格的對相關函數g（r），用於量化結構相關。 d，光子晶格的定位長度（黑色曲線）和透射率（紅色曲線）。橙色區域表示可以觀察到拓撲邊緣狀態的頻率窗口。
研究人員表示，「我們設計了具有三個優點的非晶態PTI系統：（1）非晶晶格是通過分子動力學方法生成的，可以在天然材料中實現；（2）從晶相到玻璃狀非晶態到液相相的完整映射可產生從出現到消失的整個拓撲結構評估，都清楚地體現了玻璃-液體轉變的作用；（3）可以遷移光子平臺以驗證其他非周期性光子拓撲材料。」
他們補充說：「我們的無定形光子拓撲絕緣體中短程有序支持的拓撲保護顯示出對大缺陷的出色魯棒性，例如，特徵長度的3倍和90彎曲，都可與晶體對應物媲美。」
研究人員指出，「該研究提出的方法可用於開發具有所需結構相關性的特定非晶態光子拓撲絕緣體，例如在帶隙光子晶體中研究的超均勻結構，或監測其他非周期性光子拓撲絕緣體，例如準晶體或超材料。因此，我們的發現將非常有用為研究用於新型光子器件（如拓撲隨機雷射器）的非晶態拓撲光子材料的未來工作。」
參考：Peiheng Zhou et al, Photonic amorphous topological insulator, Light: Science & Applications (2020). DOI: 10.1038/s41377-020-00368-7量子認知 | 簡介科學新知識，敬請熱心來關注