三维光学拓扑绝缘体的实验实现

来源：求是风采

项目简介

 该项目首次把三维拓扑绝缘体从费米子体系拓展到了玻色子体系，实现了宽带隙三维光学拓扑绝缘体，为未来三维拓扑光路、拓扑光学腔、拓扑激光等应用铺平了道路。

 This work extends the family of three-dimensional topological insulators from fermions to bosons and realizes the first three-dimensional photonic topological insulator with a broad band gap, which paves the way for applications in topological photonic cavities, circuits and lasers in three-dimensional geometries.

研究团队

陈红胜，教育部长江特聘教授、国家杰出青年基金获得者、中组部首批青年拔尖人才、全国百篇优秀博士学位论文获得者、教育部霍英东青年教师奖获得者。在Nature、Nature Photonics、Nature Physics、Science Advances, PRL, PNAS等期刊上发表了200余篇SCI论文，SCI他引5000余次；研究工作被中国科学院《科学发展报告》选为中国具有代表性研究成果，多次被Nature、Science News、Scientific American、MIT Technology Review等国际知名科技杂志列为研究亮点。目前担任Journal of Optics等多个SCI期刊的专题主编、编委。

科学解读

图1. 该工作获得2019年度中国光学十大进展、中国光学领域

十大社会影响力事件和中国光学十大新闻

 2019年1月9日上线的《自然》杂志以研究长文形式刊登浙江大学信息与电子工程学院的陈红胜团队的研究成果，首次实验实现三维光学拓扑绝缘体。

在传统光路中，光子遇到杂质、缺陷或者拐角等障碍时，会发生散射等现象，从而极大地降低光子的传输效率。为了解决该问题，科学家提出了一种新型光学材料——光学拓扑绝缘体。它的特性介于“导体”和“绝缘体”之间，其内部不透光，而表面支持一种特殊的表面波。有趣的是，该表面波源于材料内部光子能带的拓扑特性，能够对缺陷、拐角、无序等障碍物“免疫”，故而实现光子的高效传输。

 2005年，普林斯顿大学的邓肯·霍尔丹（2016年诺贝尔物理学奖得主）进行了一项思想实验，试图将拓扑绝缘体的理论从电子体系拓展到光学体系。这一大胆的想法在科学界引起质疑与争议，该论文直到2008年才发表在物理学顶级研究期刊Physical Review Letters上，由此光学拓扑绝缘体的理论正式问世。2009年，麻省理工学院物理系Marin Soljačić教授研究组第一次通过实验实现了二维光学拓扑绝缘体，开启了光学拓扑绝缘体的实验研究。

    然而，二维光学拓扑绝缘体与三维光学拓扑绝缘体之间存在许多本质上的不同，关于光学拓扑绝缘体的研究很长一段时间内仍局限在二维材料。直到2017年，纽约城市大学的Alexander B. Khanikaev教授团队提出了无磁性材料的三维光学拓扑绝缘体的设计理论。“我们关注到了这项工作，但其参数十分苛刻。”论文第一作者杨怡豪说。随后浙江大学研究团队联合新加坡南洋理工大学团队开始尝试搭建新型的实验体系，这是科学界的第一次尝试用实验实现光学三维拓扑绝缘体。

 该团队巧妙地提出设计了一种由多个开口谐振器构成的单元结构。基于此结构，联合课题组首次实现了三维光学拓扑绝缘体，它具有宽频带拓扑能隙，并且可以用印刷电路板技术制作完成。

图2. 表面波无障碍地绕过z型拐角

 “通过对材料内部及表面电磁场分布成像，我们观测到了该材料的三维能隙，以及具有二维狄拉克锥形式的表面态——这些正是三维光学拓扑绝缘体的关键特征。”杨怡豪说。 在三维光学拓扑绝缘体中，由于表面波具有拓扑保护特性，它可以对于拐角等障碍物免疫，而能够绕过他们实现高效地传播。这就能避免光发生散射导致信息耗散的问题。在这个理论基础上，该课题组研制出z字型的弯曲波导，该新型电磁波导与传统直波导相比，具有极高的传输效率。

 团队负责人陈红胜认为，这项研究首次将三维拓扑绝缘体从费米子体系扩展到了玻色子体系，并可能应用于三维拓扑光学集成电路、拓扑波导、光学延迟线、拓扑激光器以及其他表面电磁波的调控器件等。这或许是人类向光子芯片、光子计算机迈出的一步。