光沿直线传播这是用我们的常识写的一句话。科学家们有一种方法可以弯曲光线。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。三维材质“高速公路”上，一束光束完全以“Z”字形射出。
伦敦时间2023年1月9日，陈鸿升教授课题组在期刊《自然》上发表了相关论文《Realization of a 3-Dimensional Optical Topological Insulator》。该研究由浙江大学张教授和新加坡南洋理工大学白乐教授领衔的研究团队完成，其中还包括浙江大学信息与电子工程学院杨一浩博士（导师：陈洪生）。为该论文第一作者，浙江大学为第一完成单位。
当光线像水流一样弯曲时，会发生许多有趣的现象，隐形斗篷就是其中之一。 2013年，陈宏胜和同事研制出一种可见光隐形装置，可以让金鱼、猫等动物在人面前隐形。 “我们可以让光继续沿着原来的传播方向，沿着石头的形状传播，而不是被物体表面散射，就像水流过石头，就像溪流流过石头一样。”洪生说道。 “没有散射光，人眼就无法感知物体。”
金鱼进出可见光屏蔽装置
材料中的杂质和缺陷在科学家想要隐藏的事物清单中占据着重要位置。当电磁波通过光波导和介质界面传播时，沿途遇到的杂质和缺陷会使电磁波散射，降低传输效率。 “如果我们能够设计出一种新型波导，让这些散射因素‘隐形’，那么传输效率将大大提高，未来将有巨大的应用潜力。”陈宏生说。
当表面波遇到波导中的缺陷、杂质或弯曲时，它们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，当旋转幅度较大时，电磁波会被散射，从而影响传输效率。我们认为，当旋转幅度较小时，对于节省空间没有用处，这就是光子的未来。”芯片是实现这一目标的关键。 “我们希望‘急转弯’时不会出现散落。”
杨义浩说，光子可以像电子一样传播吗？——拓扑绝缘体是凝聚态物理中的热门材料，是这项研究的灵感来源。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。这一大胆的想法引发了科学界的质疑和争议，直到2008年，光学拓扑绝缘体理论才被正式公布，论文发表在物理学顶级研究期刊PRL上。 2009年，麻省理工学院物理系Marin Soljai教授研究组的青年科学家Jen Wang和Yidon Chong在《Nature》杂志上发表论文，通过实验实现了第一个二维光学拓扑绝缘体，开始了绝缘体的实验研究。
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。
“拓扑绝缘体为电子芯片中的发热问题提供了极好的解决方案。对于光子芯片中的信号耗散问题，科学家们决定使用光学拓扑绝缘体来提供解决方案。我希望如此。”杨义浩说。
“构建”光子路径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，实验面临前所未有的困难。起初甚至没有现成的实验室设备来测量它。
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，联合研究团队首次实现了具有宽带拓扑能隙的三维光学拓扑绝缘体。这种三维光学拓扑绝缘体可以使用印刷电路板技术来制造。
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。
“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。”原始的拓扑光子晶体能够控制光子，从而可以用来控制电子。就像三维拓扑绝缘体一样，”合著者张百乐教授说。该期刊审稿人认为，光拓扑绝缘体的实验实现具有重要意义，将促进相关新兴领域的发展。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。该研究的共同作者包括浙江大学博士生张莉和何梦佳，新加坡南洋理工大学助理教授Ranjan Singh，以及对该研究做出重要贡献的博士生薛浩然。该研究得到国家自然科学基金委杰出青年基金项目、国家青年拔尖人才计划等项目的资助。
本文来自浙江大学学术委员会
本文中的图片：研究团队
本文编辑：浙江大学微信社田柳岩
责任编辑：周怡莹
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