陈红胜Nature：极大推动该领域的进展，全球首次完全实现3D拓扑光子带隙

shadan

在现代光子器件中，例如波导，激光器，非常需要将光子限制在有限体积内。几十年前，这推动了光子晶体的研究和应用，光子晶体具有光子带隙，禁止光在各个方向传播。最近，受到拓扑绝缘体发现的启发，已经在二维（2D）光子结构（称为光子拓扑绝缘体）中证明了具有拓扑保护的光子限制，在拓扑激光器中有很好的应用。然而，尚未实现完全三维（3D）拓扑光子带隙。

在这里，浙江大学陈红胜，新加坡南洋理工大学张柏乐及Gao Zheng共同通讯在Nature在线发表题为“Realization of a three-dimensional photonic topological insulator”的研究论文，该论文实验证明了一种具有极宽（超过25％带宽）3D拓扑带隙的3D光子拓扑绝缘体。使用直接场测量，研究人员绘制出有间隙的体带结构和光子表面态的狄拉克样色散，并展示沿非平面表面的稳健光子传播。该工作将3D拓扑绝缘体系列从费米子扩展到玻色子，并为三维几何中的拓扑光子腔，电路和激光器的应用铺平了道路。

      光子带隙材料，也称为光子晶体，是能够限制光子的工程材料，因为它们具有光子带隙，禁止在所有方向上传播电磁波（即，由经典麦克斯韦方程控制的光波）。尽管电子带隙是一个历史悠久的概念，但仅在20世纪80年代后期，光子带隙材料才被理论上提出为半导体晶体的电磁模拟。然后，它们以3D光子晶体的形式实验性地实现，在微波频率下具有完全的带隙。光子晶体的光子限制能力通常由其带隙的宽度决定。

      在过去的二十年中，凝聚态物理已经通过引入物质相的拓扑分类而发生了革命，包括2D和3D拓扑绝缘体。 2D拓扑绝缘体承载拓扑保护的单向边缘状态，而3D拓扑绝缘体表现出拓扑表面状态。基于众多不同设计原理的2D拓扑绝缘体的类似物已经在光子学中实现了，并且可以用于实现拓扑保护的激光器。然而，在这些2D系统中，在第三（面外）方向上的光子限制是通过诸如折射率引导的非拓扑手段来实现的。根据最新进展，尚未实现3D拓扑光子带隙，其可以在所有三个空间方向上实现光子的拓扑限制。

      最近，有几个理论建议用于实现3D拓扑光子带隙。高折射率磁光材料可用于产生类似于“强”拓扑绝缘体（其具有奇数个表面狄拉克锥）的带结构，尽管其具有不完全的带隙;然而，这对于制造来说是具有挑战性的。最近的另一项提议涉及光子“弱”拓扑绝缘体（其具有偶数个表面狄拉克锥）。从具有适当层间耦合的2D量子自旋霍尔绝缘体堆叠层出现弱拓扑绝缘体。尽管弱拓扑 - 绝缘体表面状态最初被认为是不受保护的，但是最近的研究表明，只要时间反转对称性和带隙的存在，它们就能抵抗紊乱。

      二维拓扑光子系统的发现已经改变了我们对电磁波的传播和散射的观点，并且激发研究人员对三维类似状态的探索。Alexey Slobozhanyuk 等人从理论上证明了，在全电介质平台中设计对称保护的三维拓扑状态，并通过结构设计确保电场和磁场之间的电磁对偶性是可行的。磁电耦合起到形成规范场的作用，确定了具有完全三维光子带隙的“绝缘”状态的拓扑转变。他们还揭示了具有锥形狄拉克色散和自旋锁定的表面状态的出现，并通过第一性原理研究证实了表面状态沿着二维畴壁的传播。他们提出的系统作为一个桌面平台，能够模拟大型狄拉克费米子的相对论动力学，并且表面状态可以被解释为受到具有相反质量粒子的界面分离域约束的 Jackiw-Rebbi 状态。

       在这里，研究人员报告了3D光子拓扑绝缘体的实现，具有完整且极宽的拓扑带隙。该论文实验证明了一种具有极宽（超过25％带宽）3D拓扑带隙的3D光子拓扑绝缘体。使用直接场测量，研究人员绘制出有间隙的体带结构和光子表面态的狄拉克样色散，并展示沿非平面表面的稳健光子传播。

      因此，该工作展示了3D拓扑绝缘体的经典光子模拟。 3D拓扑光子带隙的实现为各种拓扑光子器件打开了大门，例如拓扑光子激光器和先前难以接近的3D几何结构中的电路。这也提供了研究超出2D的拓扑量子光学的机会，例如在完全3D拓扑腔中的自发发射。该工作将3D拓扑绝缘体系列从费米子扩展到玻色子，并为三维几何中的拓扑光子腔，电路和激光器的应用铺平了道路。

参考信息：

https://www.nature.com/articles/s41586-018-0829-0

https://www.nature.com/articles/nphoton.2016.253