Advanced Science:表面波光子晶体中的高阶拓扑态

光学拓扑绝缘体的发现改变了人们对光的传播和散射特性的理解。在二维系统中,光学拓扑绝缘体的边界处存在特殊的一维拓扑边界态。该边界态具有手性或者螺旋自旋极化特性,可对缺陷、拐角、无序等障碍物“免疫”,从而实现光子及电磁波的高效传输。光学拓扑绝缘体已经被证实可应用于低损耗光学波导、光学延迟线、拓扑激光和片上通信等。

近年来,高阶拓扑绝缘体的发现为拓扑物理学开辟了全新的研究领域,并迅速拓展到了电磁波及光学系统中。与前面提到的光学拓扑绝缘体不同,在二维高阶光学拓扑绝缘体中并不存在受拓扑保护的边界态,但是具有受拓扑保护的零维角态。目前,高阶光学拓扑绝缘体已在含集总元件的微波电路和耦合光波导阵列中实现。但是含集总元件的微波电路仅可工作于较低频率(通常在微波段或者更低频段),而耦合光波导阵列的晶格常数很大(约为工作波长的数十倍)且带隙比较狭窄。因此,上述缺陷严重制约了高阶光学拓扑绝缘体在集成光学器件中的潜在应用。

针对上述问题,浙江大学陈红胜团队、苏州大学蒋建华团队、新加坡南洋理工大学杨怡豪博士及其合作者提出基于表面波光子晶体的高阶光学拓扑绝缘体,并且进行了实验研究。该二维高阶光学拓扑绝缘体的单元结构具有特殊晶体对称性,并且晶格常数仅约为半个波长。同时,该表面波光子晶体具有极宽的光学拓扑带隙(相对带宽约为28%)。基于该表面波光子晶体,研究团队构建了同心方形结构(如图所示,方形界面内外结构不同)。该方形结构具有四个交界面,并且在交界面处存在一维带隙的边界态。更重要的是,相邻界面的边界态具有相反的狄拉克质量。同时根据Jackiw-Rebbi原理,在不同界面的交界处,即方形的四个角上,电磁波在边界态的带隙内局域化,导致拓扑零维角态的出现。在实验中,研究团队通过电磁场扫描直接观察到角态和边界态的场分布,并且通过测量传输曲线揭示了高阶拓扑的层级结构:光子晶体体态的带隙内存在着边界态,而边界态的带隙内又存在着拓扑角态。因此,研究团队实验验证了具有拓扑角态的基于光子晶体的高阶光学拓扑绝缘体。

此项研究将表面波光子晶体与高阶拓扑绝缘体相结合,为拓扑光子晶体的研究提供新的思路。此外,该设计方法具有普适性,故可用于设计太赫兹及可见光频段高阶光学拓扑绝缘体,有望应用于受拓扑保护的微型集成光学器件。该项工作第一作者为浙江大学博士生张莉,相关论文在线发表在Advanced Science (DOI: 10.1002/advs.201902724)上。