拓扑绝缘体或构建光子“高速公路”

日前，中新研究团队通过联合攻关，设计出一种特殊结构的人工电磁单元，构建出三维光学拓扑绝缘体，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。相关成果发布在《自然》上。

这条三维世界光子的“高速公路”为“Z”字形，但光子在传播时，能够无障碍地绕过“Z”形拐角。

论文第一作者、浙江大学信息与电子工程学院博士杨怡豪告诉《中国科学报》，他本人对拓扑光学一直很有兴趣，并表示拓扑绝缘体自提出以来一直是凝聚态领域的一大研究热点。

拓扑绝缘体介于导体和绝缘体之间，其内部表现为绝缘体，而材料表面表现为导体。其表面电流源于材料内部电子能带的拓扑特性，能够对缺陷、拐角、无序等“免疫”，故而实现电子的高效运输。

据悉，该研究首次实验实现了具有宽频带拓扑能隙的三维光学拓扑绝缘体。杨怡豪等人设计提出了一种由多个开口谐振器构成的电磁单元结构，该电磁单元结构具有很强的电磁双各向异性特性，这是实现宽频带三维光学拓扑绝缘体并使实验得以成功验证的关键。

三维光学拓扑绝缘体的设计过程并非一帆风顺。但杨怡豪凭借团队在新型人工异向介质材料上雄厚的研究基础，经过十几个版本迭代，历时数月设计出了电磁双各向异性介质单元。

而由于表面光子受到拓扑保护，该三维光学拓扑绝缘体可以用来构建光子“高速公路”，让光子在传输过程中，不被杂质、缺陷或者拐角影响，或者说，使各类缺陷“隐身”。

为验证上述理论，该研究团队通过对三维曲面上表面态的成像，实验验证了表面波在界面传播时能够无障碍地绕过Z型拐角。这一现象表明，对表面波来说，这些拐角就像被“隐形”，而能够绕过拐角实现高效传播正是受益于三维光学拓扑绝缘体的拓扑保护特性。

该成果有望适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波电磁调控器件。该研究将三维拓扑绝缘体从费米子体系扩展到了玻色子体系，有望启发其他玻色子系统中三维拓扑绝缘体的实验实现，对拓展三维拓扑态体系具有重要意义。

《自然》杂志匿名评审专家评价该项研究工作时指出，实验实现三维光学拓扑绝缘体十分重要，将推动该新兴领域的发展。

据悉，这项研究由浙江大学教授陈红胜课题组和新加坡南洋理工大学教授Baile Zhang、Yidong Chong课题组合作完成。