浙大和南洋理工合作研制成功首个三维光学拓扑绝缘体

日前，浙江大学信息与电子工程学院教授陈红胜课题组成功研制出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。研究成果今日于《自然》杂志正式发表。

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教授Baile Zhang、Yidong Chong课题组合作共同完成，浙江大学信息与电子工程学院博士杨怡豪为论文第一作者，陈红胜和教授Baile Zhang、Zhen Gao为共同通讯作者，浙江大学为第一完成单位。

此前，三维光学拓扑绝缘体的研究在该领域仍是空白，光学拓扑绝缘体的实验研究仅局限于二维空间。据悉，在二维空间下，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。“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。”《自然》匿名评审专家在评价该研究时说。

光是生活中常见的电磁波，不仅能够在空中传播，也可在引导电磁波的波导器件中传播，或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。

为了解决这一难题，在研究过程中，杨怡豪博士等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。

课题组负责人介绍，在最终确定三维光学拓扑绝缘体前，团队也根据光子的特性搭建了电磁波三维扫场平台，进行实验验证。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。

图1.具有三维拓扑能隙的光子结构设计

图2.三维拓扑绝缘体及其表征