三维光学拓扑绝缘体：让一束光跑出“Z”形弯道

“电子芯片的发热问题，拓扑绝缘体给出了很好的解决方案；光子芯片的信息耗散问题，科学家希望通过光学拓扑绝缘体给出方案。”杨怡豪说。

建“Z”形高速路，让光子拐弯“奔跑”

从电子体系到光子体系，从二维到三维，研究对象存在许多本质区别，实验遇到了前所未有的困难。一开始，他们甚至没有现成的实验设备去测量。

杨怡豪巧妙地设计出一种由多个开口谐振器构成的单元结构。“这是‘高速公路’的路基，也是实验成功的关键。”陈红胜说。最终，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。

三维世界光子的“高速公路”，是“Z”字形的。表面波在界面传播时，能够无障碍地绕过Z形拐角。“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。

“对表面波来说，这些拐角就像被隐形一样，而能够绕过拐角实现高效传播，这正是受益于三维光学拓扑绝缘体的拓扑保护特性。”陈红胜说。这便是“光子高速公路”的神奇之处。“在这条高速公路上，无论道路多么曲折，光子都能一往无前。”杨怡豪表示，这就能避免光发生散射导致信息耗散的问题。

“我们的工作首次赋予了三维光子带隙以拓扑性质，也就是说，将来可以像三维拓扑绝缘体控制电子一样，用三维拓扑光子晶体来控制光子。”合作研究者、新加坡南洋理工大学张柏乐教授说。

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。