来源：浙江大学
北京时间1月10日凌晨，国际顶级期刊《自然》报道了浙江大学信息与电子工程学院陈红胜教授课题组的一项最新研究。课题组在国际上研制成功了首个三维光学拓扑绝缘体，将三维拓扑绝缘体从费米子体系扩展到了玻色子体系，有望大幅度提高光子在波导中的传输效率。
这项研究由浙江大学陈红胜教授课题组和新加坡南洋理工大学Baile Zhang教授、Yidong Chong教授课题组合作共同完成，浙江大学信息与电子工程学院杨怡豪博士为论文第一作者，陈红胜教授和Baile Zhang教授、Zhen Gao博士为共同通讯作者，浙江大学为第一完成单位。
共同追求，让电磁波传播受到的干扰降到最低
光是生活中常见的电磁波，不仅能够在空中传播，也可以在引导电磁波的波导器件中传播，或者在两层介质交界面处沿着界面传播，即表面波。电磁波在这些波导或者介质交界面传播时，如遇到缺陷、杂质、波导拐弯等，会产生不可避免的散射，从而造成能量损耗，这将极大地降低波导的传输效率。
表面波遇到缺陷、杂质、或者波导拐弯等，会产生不可避免的散射
然而，表面波传播是光学导波器件中非常重要的导波基础，实现对这些杂质、缺陷、或者拐角“隐身”，能够对缺陷和拐角等“免疫”，从而使电磁波传播不受其影响的新颖波导在未来具有重大的应用前景。
2016年底还是博士研究生的杨怡豪就为解决这一难题开始研究，前瞻的研究领域+“零的突破”的挑战+新型人工电磁材料结构设计的丰富经验，让杨怡豪以及课题组一开始为研制首个三维光学拓扑绝缘体铆足了力量。
众所周知，在传统电路（比如电子芯片）中也经常碰到，电子遇到杂质、缺陷或者拐角时，会产生散射，造成发热、损耗等问题。为了解决这个问题，科学家提出了一种新材料——拓扑绝缘体。这种材料特性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。有趣的是，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。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，关于拓扑物质的研究工作荣获了2016年的诺贝尔物理学奖。
受拓扑绝缘体的启发，科学家提出了光学拓扑绝缘体，成功将拓扑绝缘体的神奇特性拓展到了光学系统。科学家们已经从理论上证明，表面波在光学拓扑绝缘体传播时，能够绕过缺陷、拐角，实现高效地传播。
然而，在浙大陈红胜课题组的这项研究成果发表前，三维光学拓扑绝缘体的实验研究仍然是空白，光学拓扑绝缘体的实验研究还局限于二维空间。
这部分原因在于，光子与电子有着本质的不同：光子为整数自旋的玻色子，电子为半整数自旋的费米子，因此不能简单地把电子三维拓扑绝缘体的设计拓展到光学体系。
那么为什么科学家依然要锲而不舍地研究三维光学拓扑绝缘体呢？这是因为光学拓扑绝缘体的实验研究局限于二维空间，在二维光学拓扑绝缘体中，表面波传播时只有一维单向的拓扑边界态，而表面波在三维光学拓扑绝缘体中传播时，其拓扑表面态表现为二维无质量狄拉克费米子。
因此，《自然》杂志的匿名评审专家，评价这项研究工作时指出，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。
特殊结构，让缺陷“隐身”
针对现有的重重难题，陈红胜课题组和Baile Zhang、Yidong Chong研究组等构成的国际联合研究团队，通过联合攻关，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。在这一研究过程中，杨怡豪博士巧妙地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最终得以成功验证的关键。
电磁双各向异性介质单元
三维光学拓扑绝缘体的设计过程并非一帆风顺，也有过多次失败。但是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，历时几个月设计出了电磁双各向异性介质单元。
那么，浙大陈红胜课题组提出的三维结构，是不是三维光学拓扑绝缘体？这是一个重要的问题，需要得到实验验证。
三维拓扑绝缘体的本质特征在于材料体内具有三维能隙，而材料表面具有二维狄拉克锥形式的能带。过去科学家们在验证电子拓扑绝缘体需要购买高昂的检测设备。这一次，这一国际联合团队根据光子或者说电磁波的特性搭建电磁波三维扫场平台，进行了实验测试。他们通过对三维光学拓扑绝缘体内部及表面电磁场分布成像，提取电磁波模式的色散特征，该研究团队在实验中成功地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。
表面波无障碍的绕过Z型拐角
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，各类缺陷“隐身”了。为了对上述理论进行验证，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”不可见一样，而能够绕过拐角实现高效地传播正是受益于三维光学拓扑绝缘体的拓扑保护特性。
这项研究实现的三维光学拓扑绝缘体，或可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中。由于将三维拓扑绝缘体从费米子体系扩展到了玻色子体系，该研究有望启发其它波色子系统（如声子及冷原子等）中三维拓扑绝缘体地实验实现，对拓展三维拓扑态体系具有重要的意义。
这项工作的共同作者还包括浙江大学博士生张莉、贺梦佳，新加坡南洋理工大学Ranjan Singh助理教授以及博士生Haoran Xue、Zhaoju Yang，他们也都在此工作中作出了重要贡献。该工作受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资助。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-018-0829-0
