三维光学拓扑绝缘体：让一束光跑出“Z”形弯道

光沿直线传播，这是写在我们常识里的一句话，科学家则有办法让光拐弯。浙江大学和新加坡南洋理工大学的科学家合作，构建出世界上首个三维光学拓扑绝缘体，在三维材料的“高速公路”上，一束光完美地跑出了“Z”字形。相关论文于近日发表在《自然》杂志上。

假如光像流水，就会发生隐形奇迹

光线绕弯会发生许多有趣的现象，隐身衣就是其中一例。论文共同通讯作者、浙江大学教授陈红胜等曾在2013年制造出一种可见光波段的隐形器件，让金鱼、猫等动物在眼前遁形。

“我们能让光像流水一样，在物体表面不发生散射，而像溪水流经石头，顺着石头的形状绕过去，继续按照原来的传播方向前进。”陈红胜介绍，没有散射光的情况下，人眼就识别不出物体了。

在科学家希望隐形的名单中，材料的杂质、缺陷占据着重要位置。电磁波在光波导或者在介质交界面传播时，“途中”遇到的杂质、缺陷，都能让电磁波发生散射，导致传输效率下降。“如果能设计出一种新型波导，让这些散射因素‘隐形’，将大大提升传输效率，在未来会有重大的应用前景。”陈红胜说。

在很多器件中，电磁波必须绕着弯走。“在目前的技术体系中，一旦转弯幅度大，电磁波就会发生散射，影响传输效率。转弯幅度小，就不利于节省空间。”一位从事电磁波研究的科学家认为，这是实现未来光子芯片的一项巨大挑战。“我们希望‘急转弯’的时候，也不发生散射。”

从电子到光子，研究一直在进步

论文第一作者、浙江大学信息与电子工程学院杨怡豪博士说，凝聚态物理的热门材料——拓扑绝缘体是这项研究的灵感之源。拓扑绝缘体是一种表面导电、内部绝缘的材料，它能让电子绕着材料表面传输，而在材料内部却“禁止通行”。

著名科学家张首晟在向公众介绍拓扑绝缘体时，曾以“高速公路”作比喻：电子在芯片里的运动，就像一辆辆跑车在集市里行驶，不断地碰撞，产生热量。而拓扑绝缘体好似为电子建立了高速公路，让电子在一条条“单向车道”上运行。

电子的“高速公路”，光子能跑吗？2005年，普林斯顿大学的邓肯·霍尔丹（2016年诺贝尔物理学奖得主）进行了一项理论实验，试图将拓扑绝缘体的理论拓展到光学体系，直至2008年光学拓扑绝缘体的理论才正式问世。

2009年，麻省理工学院科学家首次通过实验实现了二维光学拓扑绝缘体，开启了光学拓扑绝缘体的实验研究。

当前，关于光学拓扑绝缘体的实验研究仍局限在二维材料。2017年，纽约城市大学的亚历山大教授团队提出了无磁性材料的三维光学拓扑绝缘体的设计理论。“我们关注到了这项工作，但其参数十分苛刻。”杨怡豪说。

浙江大学和新加坡南洋理工大学联合课题组开始尝试搭建新型的实验体系，这是科学界首次尝试用实验实现光学三维拓扑绝缘体。

“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。