重大發現！南京大學科研團隊實現高階光學量子自旋霍爾效應

高校科技進展獲悉，日前，南京大學陳延峰教授團隊、王振林教授團隊合作，首次理論提出並實驗證實了高階量子自旋霍爾效應，這是高階光子拓撲絕緣體方面取得的又一重大突破性研究成果。

1879年，美國物理學家霍爾在研究金屬導電機制時發現了霍爾效應。100年後，德國物理學家克利青等在研究極低溫度和強磁場中的半導體時發現了量子霍爾效應，美籍華裔物理學家崔琦和美國物理學家勞克林、施特默在更強磁場下研究量子霍爾效應時發現了分數量子霍爾效應。幾位物理學家，因在霍爾效應方面取得的重大發現，紛紛獲得了諾貝爾物理學獎。

德國物理學家克利青

我國科學家同樣一直開展針對霍爾效應的科學研究。斯坦福教授張首晟與復旦的大學合作開展的&34;的研究，後來在實驗中被證實，研究成果被《科學》雜誌評為2007年十大科學進展之一；清華大學副校長、中國科學院院士薛其坤，帶領科研團隊首次在實驗中發現「量子反常霍爾效應」，引起了全球科技界的轟動，該成果被著名的物理學家、諾貝爾物理學獎楊振寧稱為「諾貝爾獎級」成果。此次，南京大學陳延峰教授團隊、王振林教授團隊合作發現的「高階光學量子自旋霍爾效應」，又一次代表中國科學家在基礎學科領域發出了強有力的「中國聲音」。

量子反常霍爾效應新聞發布會

據悉，該研究成果已以「Higher-Order Quantum Spin Hall effect in a Photonic Crystal」為題在線發表在最新一期的Nature Communications上。南京大學解碧野、蘇光旭、王洪飛、詹鵬、盧明輝、王振林、陳延峰、胡露芒、餘思遠，以及日本關西學院劉豐博士（現任職於寧波大學）等，在本次重大發現中均做出了重要貢獻。

科研團隊成員表示，為觀察到一維拓撲邊界態和其中的光量子自旋霍爾效應，我們首先考慮將平庸格子和非平庸格子矩形拼接（如圖-2a），利用手性源激發，我們可以觀察到對於左旋光（右旋光）源，光波被選擇性向左（右）傳播（如圖-2c-d），其在動量空間投影能帶中體現為兩條斜率相反的隙中態（mid-gap state）（如圖-2b）；為了觀察到零維拐角態，我們將兩種晶格進行一種六角拼接，形成一個六邊形封閉的界面，其具有六個拐角（如圖-2e）。

圖-1. a.二維高階拓撲光子絕緣體中存在的二維體態，一維邊界態和零維拐角態。這些態在頻域上是分開的。b.1/2贋自旋自由度是由元胞內的面內磁場矢量構型刻畫的。c. 通過在邊界上放置手性源，利用左旋光和右旋光可以實現對不同拐角處光場的局域。

圖-2. a.矩形拼接和一維邊界及相關的結構參數。b.投影能帶中的具有自旋的拓撲邊界態。c-d. 通過在邊界上放置手性源，利用左旋光和右旋光可以實現對不同方向的電磁波傳播。e. 六角拼接結構的本徵模式計算。f. 拐角態的本徵模式場分布和受激發後的場分布。

圖-3. a.半六角拼接和手性源。B半六角拼接的本徵模式計算。c. 較低頻率拐角態的場分布和贋自旋。d. 較高頻率拐角態的場分布和贋自旋。

圖-4. a.LCP源激勵下A和B點的模擬局域場強。b. RCP源激勵下A和B點的模擬局域場強。c LCP源激勵下A和B點的實驗局域場強。d. RCP源激勵下A和B點的模擬局域場強e. LCP源激勵下，實驗（上）和模擬（下）的場分布。f. RCP源激勵下，實驗（上）和模擬（下）的場分布。

本研究首次理論提出並實驗驗證了光的高階量子自旋霍爾效應。南京大學科研團隊成員介紹，該研究結果為進一步研究高階光子拓撲絕緣體的自旋極化提供基礎。此外，從應用的角度考慮，本研究為將來實現新型自旋拓撲雷射、具有自旋的多光子高階拓撲量子態、手性量子發光點等提供潛在可能。

據了解，該研究項目獲得了科技部國家重點研發計劃，國家自然科學基金委，人工微結構科學與技術協同創新中心、江蘇省傑出青年基金、江蘇省特聘教授計劃等項目的支持。

來源：高校科技進展，編輯：李偉