首个三维光学拓扑绝缘体研制成功

人民网北京1月10日电(李一环)近日，浙江大学信息与电子工程学院教授陈洪生先生课题组成功研制出首个三维光拓扑绝缘体。成功的。从费米子到玻色子的维度拓扑绝缘体。预计波导内光子的传输效率将显着提高。该研究成果今天正式发表在期刊《自然》上。

该研究由浙江大学陈洪生教授课题组、新加坡南洋理工大学张白乐教授、冲益东教授课题组、浙江大学医学院杨益浩博士课题组共同完成。信息与电子工程. 合作完成.该论文第一作者为陈洪生先生，张百乐教授、高振高教授为共同通讯作者，浙江大学为第一完成单位。

此前，该领域尚缺乏三维光拓扑绝缘体的研究，且光拓扑绝缘体的实验研究仅限于二维空间。在二维空间中，当表面波传播时，只存在一维单向拓扑边界态，但当表面波在三维光拓扑绝缘体中传播时，拓扑表面态是二维质量体，已报道称，它似乎是一个没有的状态。狄拉克费米子。 “三维光拓扑绝缘体的实验实现具有重要意义，将加速这一新兴领域的发展。”《自然》一位匿名审稿人在评价该工作时这样说道。

电磁各向同性介质单元（研究团队提供）

光是存在于生命世界中的一种常见的电磁波，它不仅可以在空气中传播，还可以在引导电磁波的波导中、在两层介质的界面处，即表面波中都可以传播。当电磁波通过这些波导和介质界面传播时，如果遇到缺陷、杂质、波导弯曲等，电磁波必然会被散射，造成能量损失，显着降低波导的传输效率。

为了解决这个问题，杨一浩博士及其同事在研究过程中巧妙地设计并提出了一种由多个开路谐振器组成的电磁单元结构，而这种电磁单元结构具有很强的电磁各向同性特性，这是实现这一目标的关键。实现宽带三波。我们研制了三维光学拓扑绝缘体，并最终获得实验验证成功。

据研究小组负责人介绍，在完成三维光学拓扑绝缘体之前，他们还搭建了基于光子特性的电磁三维场扫描平台进行实验验证。研究团队通过对三维光学拓扑绝缘体内部和表面的电磁场分布进行成像并提取电磁波模式的色散特征，在实验中成功观察到了材料的三维能隙。表面态——具有二维狄拉克锥的形状，这是三维光学拓扑绝缘体的重要特征。

表面波可以无障碍地绕过Z形角（研究团队提供）

此外，由于表面光子受到拓扑保护，三维光学拓扑绝缘体可以用来构建光子“高速公路”，让光子避开杂质、缺陷、角落，换句话说，可以使其不受类型的影响。缺陷是“看不见的”。为了验证上述理论，研究团队通过实验证明，通过对三维曲面上的表面状态进行成像，表面波在通过界面传播时可以无障碍地绕过Z形拐角，得到了验证。这种现象意味着对于表面波来说，这些角点就像“看不见的”一样，它们能够绕角点高效传播的能力得益于三维光拓扑绝缘体的拓扑保护特性。

本研究实现的三维光学拓扑绝缘体适用于三维拓扑光学集成电路、拓扑波导、光学延迟线和拓扑激光器等表面波电磁控制器件。由于3D拓扑绝缘体从费米子系统延伸到玻色子系统，这项工作有望刺激3D拓扑绝缘体在其他玻色子系统（如声子和冷原子）中的实验实现。这对于扩展三维拓扑状态系统很重要。

据发言人介绍，该论文的共同作者还包括浙江大学博士生张莉和何梦佳，新加坡南洋理工大学助理教授Ranjan Singh，以及博士生薛浩然和杨兆举。为本研究做出了重要贡献。该研究得到国家自然科学基金委杰出青年基金项目、国家青年拔尖人才计划等项目的资助。

来源：人民网