我们知道光是沿直线传播的，但科学家们已经发现了弯曲光的方法，从而产生了许多有趣的现象，例如隐形斗篷。 2023年1月9日，浙江大学和新加坡南洋理工大学的科学家合作建造了世界上第一个三维光学拓扑绝缘体。文章链接：https://www.nature.com/articles/s41586-018-0829-0
2013年，浙江大学陈洪生团队研发出一种可见光隐形装置，可以让金鱼、猫等动物躲避人类。如果能让光像水一样流动而不在物体表面发生散射，那么人眼就无法在没有散射光的情况下辨别物体。
照片：金鱼进出可见光隐形装置
图：表面波在波导中遇到缺陷、杂质或弯曲时不可避免地会发生散射。
许多设备需要电磁波才能穿过弯曲处。在当前的技术系统中，大的旋转幅度会散射电磁波，从而影响传输效率。由于旋转范围窄，不节省空间。防止急转弯时的光散射是实现未来光子芯片的主要挑战。
拓扑绝缘体
拓扑绝缘体是一种具有导电表面和绝缘内部的材料，电子可以在材料表面移动，但“禁止”通过材料内部。著名科学家张首晟在向公众介绍拓扑绝缘体时，用了“高速公路”来比喻。芯片内电子的运动就像市场上行驶的跑车一样，不断地相互碰撞并产生热量。如果您将笔记本电脑长时间放在腿上，就会感觉很烫。摩尔定律被打破的原因是电子碰撞产生的热量。拓扑绝缘体似乎为电子建造了高速公路，使它们能够在“单向车道”中行驶。
光子能沿着电子“高速公路”传播吗？2005年，普林斯顿大学的邓肯·霍尔丹（2023年诺贝尔物理学奖获得者）将拓扑绝缘体理论推广到光学系统作为尝试。这一大胆的想法引起了科学界的质疑和争议，直到2008年光学拓扑绝缘体理论正式发表后，该论文才在PRL上发表。 2009年，麻省理工学院物理系Marin Soljai教授领导的研究小组在《自然》杂志上发表论文，首次通过实验实现了二维光学拓扑绝缘体，从而引发了实验。开始了光拓扑研究。绝缘子。
目前，光学拓扑绝缘体的实验研究仍局限于二维材料。 2023年，纽约城市大学Alexander B. Khanikayev教授领导的团队提出了不使用磁性材料的三维光学拓扑绝缘体的设计理论。 “我们正在研究这项研究，但参数要求非常高，”新加坡浙江大学和南洋理工大学的联合研究小组杨义浩说，他们已经开始尝试建立一个新的实验系统。这是科学界首次尝试通过实验实现光学三维拓扑绝缘体。有望解决电子芯片发热、光子芯片信号耗散等一系列问题。
从电子系统到光子系统，从二维系统到三维系统，研究对象存在许多本质区别，实验面临着前所未有的困难。起初，甚至没有现成的实验室设备来进行测量。
杨一浩巧妙地提出并设计了由多个开放式谐振器组成的单元结构。 “这是‘高速公路’的路基，也是实验成功的关键。”陈洪生说。最终，联合研究小组实现了第一个具有宽带拓扑能隙的三维光学拓扑绝缘体，可以使用印刷电路板技术制造。
三维世界中的光子“高速公路”形状像“Z”。当表面波在界面传播时，它可以毫无障碍地绕过Z形角。 “通过对材料内部和表面的电磁场分布进行成像，我们观察到了材料中的三维能隙和二维狄拉克锥形式的表面态——。这是三个主要特征。 “——次元光拓扑绝缘体。”杨一浩说道。
图：表面波可以无障碍地避开Z形拐角。
“对于表面波来说，这些角相当于不可见的，并且可以在它们周围有效地传播，这正是我们受益于三维光学拓扑绝缘体的拓扑保护特性的地方。”陈洪生说。这就是“光子高速公路”的魔力。 “在这条高速公路上，无论路有多么曲折，光子都能义无反顾地前行。”杨义豪说。 “这避免了光散射引起的信息耗散问题。”
“我们的工作首次赋予了三维光子带隙拓扑性质。这意味着未来三维拓扑光子学将能够像三维拓扑绝缘体控制电子一样控制电子。”这意味着我们可以使用镍晶体来控制光子。”Baile Chan 教授说道。
陈宏生表示，这项研究首次将三维拓扑绝缘体从费米子系统延伸到玻色子系统，并具有应用于三维拓扑光集成电路、拓扑波导、光延迟线、拓扑激光器等的潜力我认为有。表面电磁波控制装置。
这可能是人类迈向光子芯片和光子计算机的一步。未来，光将在微小的光子芯片上携带信息，沿着交叉的高速公路行驶，为我们创造一个更快、更美好的世界。
来源：浙江大学学术委员会、Nature、Nano People
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