反手性拓扑光子态：从理论预测到实验验证

反手性拓扑光子态：从理论预测到实验验证

导读：反手性拓扑光子态是近年来物理学领域的重要突破之一，它不仅拓展了人们对物质拓扑性质的认识，还为开发新型光电子器件提供了新的思路。本文将带你深入了解这一前沿科技领域的最新进展。

华南理工大学李志远教授团队在反手性拓扑光子态研究领域取得重要突破。他们基于异质Haldane模型，不仅预测了电子体系中单向体态的存在，还成功在光子学领域实现了电磁波的长距离、大面积、高通量、强鲁棒性单向体态传输。这一研究成果发表在《物理评论快报》上，并入选“2022中国光学十大进展”提名奖。

封面展示了异质磁化磁光光子晶体中的反手性单向边界态和单向体态的传输现象。反手性单向边界态沿着两个平行边界向相同方向单向传输（绿色箭头），而单向体态绕过结构体内的金属障碍物而不产生背向散射（蓝色箭头）。反手性单向边界态和单向体态的发现对设计和实现大面积、高通量、强鲁棒性的能量输运材料/结构具有重要意义。

研究背景

过去十多年，拓扑光子学的出现为操控光与电磁波提供了强大手段。得益于拓扑带隙的存在，拓扑光子晶体可以支持具有抗背向散射、免疫缺陷以及单向传输特性的拓扑光子态。由于局部缺陷、扰动、无序不足以关闭拓扑带隙，因此在拓扑光子晶体中光与电磁波可以绕过远大于波长的金属障碍物向前传输而不产生背向散射。

拓扑光子态的实现掀起了经典波系统中拓扑态的研究热潮，人们已在光学、声学、热学、机械、电路等系统中演示了各类拓扑现象（手性边界态、自旋边界态、谷边界态、高阶拓扑态），展示了非厄米、非线性、非阿贝尔、时变系统中拓扑态的独特色散及传输行为，并开发了诸如拓扑波导、拓扑激光、拓扑光纤等功能器件。

手性边界态、反手性边界态及单向体态

2008年，Haldane等人理论预测了磁光光子晶体中手性边界态的存在。随后，麻省理工学院Marin课题组、中科院物理所李志远课题组和香港科技大学C. T. Chan课题组先后在实验上通过对磁光光子晶体施加均匀磁场观测到了手性边界态。手性边界态能够无背向散射地绕过尖锐拐角、障碍物，并可以沿着任意几何形状的路径单向传输。同时，成对的手性边界态在拓扑晶体的两个平行边界沿相反方向单向传输。因此，当考虑系统的能量从右端向左端传输时，只有下边界能进行单向输运。

图1 拓扑态示意图。a手性边界态；b反手性边界态；c单向体态

2018年，Colomés等人通过修改Haldane模型的次近邻跃迁方向，在拓扑晶体的两个平行边界实现了沿相同方向单向传输的反手性拓扑态。2020年，华南理工大学李志远课题组首次在理论上提出，通过对蜂窝晶格磁光光子晶体的两套对顶三角子晶格施加相反磁场可以实现反手性拓扑光子态。随后，南洋理工大学Baile Zhang课题组与华南理工大学李志远课题组分别在磁光光子晶体中观测到了反手性拓扑光子态的存在，并进行了传输鲁棒性验证。因此，利用反手性拓扑态的传输特性，当考虑系统能量从右端向左端传输时，上下两个边界均可进行单向输运。

手性和反手性边界态只存在于结构边界上，使得能量的鲁棒性传输被局限在边界周围很小的区域内，限制了能量传输和收集的通量。2022年，华南理工大学李志远课题组在理论上提出异质Haldane模型并在异质磁化磁光光子晶体中实现了单向体态。即使结构内存在金属障碍物，电磁波也能绕过金属障碍物无背向散射地向前单向传输。因此，单向体态的实现使得能量不再只局限在边界上单向传输，而是可以在结构体内实现大面积、高通量、强鲁棒性的能量输运。

图2 磁光光子晶体中拓扑态。a 手性边界态；b 反手性边界态；c单向体态

单向体态的实验观测

2020年，华南理工大学李志远课题组理论上提出对蜂窝晶格磁光光子晶体的两套对顶三角子晶格施加相反磁场可以实现反手性拓扑光子态，并给出使用成对钕铁硼磁铁对磁光介质柱进行单独磁化的实验方案。与以往采用大磁铁或者电磁铁对磁光光子晶体进行整体磁化的方法相比，局域磁化的方案可以灵活控制磁光介质柱的磁化强度与方向，大大降低了实验成本与难度，并可以用于实现不同类型的拓扑光子态，促进了当前磁光光子晶体实验研究蓬勃发展。

同时，这一磁化方案还降低了器件的整体尺寸，有利于实际拓扑光子学器件的设计与实现。利用异质磁化方案，李志远课题组在仿真和实验上证实了单向体态的存在，并验证了电磁波在结构内传输的鲁棒性。实验结果显示，从左端口入射的电磁波无法穿过磁光光子晶体。而从右端口入射时，电磁波可以在磁光光子晶体向左单向传输。即便结构内存在尺寸远大于激发波长的金属障碍物，电磁波仍可绕过金属障碍物继续向前传输，而几乎没有背向散射。

图3 异质磁化磁光光子晶体中的单向体态。a单胞及其磁化配置示意图；b 单向体态磁化配置示意图；c-e 单向体态的实验测量结果

反手性拓扑光子态的应用

反手性拓扑光子态的实现也产生了许多功能器件。华南理工大学李志远课题组利用反手性拓扑态在平行边界沿相同方向传输的特性，通过在纵向上组合具有相同磁化配置的反手性拓扑光子晶体，实现了结构简单、紧凑的多通道单向波导。该课题组进一步通过在横向上组合具有相反磁化配置的反手性拓扑光子晶体，实现了同时具有大带宽、无串扰、多通道等特性的单向拓扑分束器，并展示了分束比的调控。

南洋理工大学Baile Zhang课题组利用反手性拓扑光子态的单向传输特性实现了拓扑单向环形腔。南京大学卢明辉课题组在反手性拓扑光子晶体中引入空间反演破缺，实现了具有任意几何形状的可重构光学成像，为可重构光学成像、图形化激光等功能应用提供了有效方案。

最近，南方科技大学高振课题组在磁光外尔光子晶体中构建了三维反手性Haldane模型，并且在实验上观察到反手性单向表面态。此外，中山大学董建文课题组在时间反演对称保护的三维光子晶体中实现了反手性表面态。这些结果扩展了反手性拓扑光子态的研究维度与范畴，为反手性拓扑相及其拓扑光子学器件研究提供了崭新思路。

图4 反手性拓扑光子态应用。a 紧凑型多通道单向波导；b 可重构拓扑分束器；c 拓扑单向环形腔；d 可重构光成像；e 三维反手性表面态

总结与展望

反手性拓扑光子态的研究处于起步阶段，仍有许多物理机制、现象及应用等待挖掘。首先，目前反手性拓扑光子晶体的工作频率主要在微波波段，光子晶体结构体积庞大，不利于实现集成化拓扑光子学器件。如何在光学波段实现反手性拓扑光子态成为了亟待解决的问题，而基于Floquet系统、激子-极化子系统、磁性外尔半金属、磁性半导体材料的设计方案可以为实现光学波段反手性拓扑光子态提供有效途径。其次，绝大多数工作聚焦在二维系统中的反手性拓扑态，使得反手性拓扑光子晶体对光传输的操控仅局限于边界与平面，而堆叠二维反手性光子晶体和三维反手性拓扑光子晶体可以提供更多自由度，以实现对反手性拓扑态的多维度操控。再次，当前反手性拓扑态研究主要聚焦于拓扑态实现及其鲁棒性验证，与其他物理效应（人工赝磁场、非线性、非厄米、非阿贝尔、时变等）及对称性（高阶拓扑、无序、位错、分形、转角等）协同作用的研究仍旧匮乏。可以预见，协同不同物理效应及对称性可以极大地丰富反手性拓扑系统的物理现象并产生独特功能器件。

另外，目前反手性拓扑态的实现仅局限于光学、凝聚态、声学、电路等系统，若将反手性拓扑光子态的概念迁移到更为广泛的物质波和经典波系统，将为不同物理体系的拓扑态操控提供强大手段。最后，尽管当前反手性拓扑态无法为实现集成化全光光路提供有效助力，但仍有望为关键微波光电子器件的改造和升级提供有效手段，以实现可重构、紧凑、强鲁棒性的拓扑光电子器件。

值得注意的是，在撰写推文期间，香港大学Shuang Zhang课题组在三维磁光光子晶体中展示了沿相同方向传输的手性面态。浙江大学杨怡豪课题组在非阿贝尔磁光光子晶体中实现了多带隙反手性边界态。

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课题组简介

课题组为由华南理工大学国家杰青、世界高被引科学家李志远教授领衔的“人工光、声微结构实验室”研究团队。团队主要从事微纳光子学及其与非线性光学、激光技术、光物理、量子物理交叉，以及光子/声子晶体及光学/声学超材料与拓扑物理交叉等国际前沿及国家需求重要领域的理论、实验和应用研究。团队多篇论文入选ESI热点论文及高被引论文，先后承担广东省引进创新创业团队重大项目，科技部重点研发项目课题，国家基金委重点、面上和青年项目，广东省重点研发项目及广东省杰青项目等近20项。