三維光學拓撲絕緣體：讓一束光跑出“Z”形彎道 從電子到光子，研究一直在進步

光沿直線傳播，這是寫在我們常識里的一句話，科學家則有辦法讓光拐彎。浙江大學和新加坡南洋理工大學的科學家合作，構建出世界上首個三維光學拓撲絕緣體，在三維材料的“高速公路”上，一束光完美地跑出了“Z”字形。相關論文于近日發表在《自然》雜志上。

假如光像流水，就會發生隱形奇跡

光線繞彎會發生許多有趣的現象，隱身衣就是其中一例。論文共同通訊作者、浙江大學教授陳紅勝等曾在2013年制造出一種可見光波段的隱形器件，讓金魚、貓等動物在眼前遁形。

“我們能讓光像流水一樣，在物體表面不發生散射，而像溪水流經石頭，順著石頭的形狀繞過去，繼續按照原來的傳播方向前進。”陳紅勝介紹，沒有散射光的情況下，人眼就識別不出物體了。

在科學家希望隱形的名單中，材料的雜質、缺陷占據著重要位置。電磁波在光波導或者在介質交界面傳播時，“途中”遇到的雜質、缺陷，都能讓電磁波發生散射，導致傳輸效率下降。“如果能設計出一種新型波導，讓這些散射因素‘隱形’，將大大提升傳輸效率，在未來會有重大的應用前景。”陳紅勝說。

在很多器件中，電磁波必須繞著彎走。“在目前的技術體系中，一旦轉彎幅度大，電磁波就會發生散射，影響傳輸效率。轉彎幅度小，就不利于節省空間。”一位從事電磁波研究的科學家認為，這是實現未來光子芯片的一項巨大挑戰。“我們希望‘急轉彎’的時候，也不發生散射。”

從電子到光子，研究一直在進步

論文第一作者、浙江大學信息與電子工程學院楊怡豪博士說，凝聚態物理的熱門材料——拓撲絕緣體是這項研究的靈感之源。拓撲絕緣體是一種表面導電、內部絕緣的材料，它能讓電子繞著材料表面傳輸，而在材料內部卻“禁止通行”。

著名科學家張首晟在向公眾介紹拓撲絕緣體時，曾以“高速公路”作比喻：電子在芯片里的運動，就像一輛輛跑車在集市里行駛，不斷地碰撞，產生熱量。而拓撲絕緣體好似為電子建立了高速公路，讓電子在一條條“單向車道”上運行。

電子的“高速公路”，光子能跑嗎?2005年，普林斯頓大學的鄧肯·霍爾丹(2016年諾貝爾物理學獎得主)進行了一項理論實驗，試圖將拓撲絕緣體的理論拓展到光學體系，直至2008年光學拓撲絕緣體的理論才正式問世。

2009年，麻省理工學院科學家首次通過實驗實現了二維光學拓撲絕緣體，開啟了光學拓撲絕緣體的實驗研究。

當前，關于光學拓撲絕緣體的實驗研究仍局限在二維材料。2017年，紐約城市大學的亞歷山大教授團隊提出了無磁性材料的三維光學拓撲絕緣體的設計理論。“我們關注到了這項工作，但其參數十分苛刻。”楊怡豪說。

浙江大學和新加坡南洋理工大學聯合課題組開始嘗試搭建新型的實驗體系，這是科學界首次嘗試用實驗實現光學三維拓撲絕緣體。

“電子芯片的發熱問題，拓撲絕緣體給出了很好的解決方案;光子芯片的信息耗散問題，科學家希望通過光學拓撲絕緣體給出方案。”楊怡豪說。

建“Z”形高速路，讓光子拐彎“奔跑”

從電子體系到光子體系，從二維到三維，研究對象存在許多本質區別，實驗遇到了前所未有的困難。一開始，他們甚至沒有現成的實驗設備去測量。

楊怡豪巧妙地設計出一種由多個開口諧振器構成的單元結構。“這是‘高速公路’的路基，也是實驗成功的關鍵。”陳紅勝說。最終，聯合課題組首次實現了三維光學拓撲絕緣體，它具有寬頻帶拓撲能隙。

三維世界光子的“高速公路”，是“Z”字形的。表面波在界面傳播時，能夠無障礙地繞過Z形拐角。“通過對材料內部及表面電磁場分布成像，我們觀測到了該材料的三維能隙，以及具有二維狄拉克錐形式的表面態——這些正是三維光學拓撲絕緣體的關鍵特征。”楊怡豪說。

“對表面波來說，這些拐角就像被隱形一樣，而能夠繞過拐角實現高效傳播，這正是受益于三維光學拓撲絕緣體的拓撲保護特性。”陳紅勝說。這便是“光子高速公路”的神奇之處。“在這條高速公路上，無論道路多么曲折，光子都能一往無前。”楊怡豪表示，這就能避免光發生散射導致信息耗散的問題。

“我們的工作首次賦予了三維光子帶隙以拓撲性質，也就是說，將來可以像三維拓撲絕緣體控制電子一樣，用三維拓撲光子晶體來控制光子。”合作研究者、新加坡南洋理工大學張柏樂教授說。

陳紅勝認為，這項研究首次將三維拓撲絕緣體從費米子體系擴展到了玻色子體系，并可能應用于三維拓撲光學集成電路、拓撲波導、光學延遲線、拓撲激光器以及其他表面電磁波的調控器件等。