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                      作者:陳紅勝等 來源:《自然》 發布時間:2019/1/15 15:07:23
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                      國際首個三維光學拓撲絕緣體研制成功
                      有望建成光子 “高速公路”
                       
                       
                      1月10日,國際首個三維光學拓撲絕緣體研制成功,三維拓撲絕緣體從費米子體系擴展到了玻色子體系,有望大幅度提高光子在波導中的傳輸效率,相關成果發布在《自然》上。
                       
                      這項研究由浙江大學教授陳紅勝課題組和新加坡南洋理工大學教授Baile Zhang、Yidong Chong課題組合作完成,浙江大學信息與電子工程學院博士楊怡豪為論文第一作者,陳紅勝、Baile Zhang、Zhen Gao為共同通訊作者。
                       
                      拓撲絕緣體自提出以來一直是凝聚態領域的一大研究熱點,關于拓撲物質的研究工作榮獲了2016年的諾貝爾物理學獎。
                       
                      拓撲絕緣體介于導體和絕緣體之間,其內部表現為絕緣體,而材料表面表現為導體。其表面電流源于材料內部電子能帶的拓撲特性,能夠對缺陷、拐角、無序等“免疫”,故而實現電子的高效運輸。
                       
                      為何科學家鍥而不舍地研究三維光學拓撲絕緣體呢?這是因為光學拓撲絕緣體的實驗研究局限于二維空間。在二維光學拓撲絕緣體中,表面波傳播時只有一維單向的拓撲邊界態,而表面波在三維光學拓撲絕緣體中傳播時,其拓撲表面態表現為二維無質量狄拉克費米子。
                       
                      楊怡豪告訴《中國科學報》記者,他本人對拓撲光學一直很有興趣。兩年前,楊怡豪關注到三維光學拓撲絕緣體的設計理論,但是其參數十分苛刻,很難實現。而楊怡豪對于如何加工結構和測量有著較深的認識,設計材料結構正是他所擅長的?;谶@些優勢,楊怡豪成功設計出三維光學拓撲絕緣體,并突破了實驗上的技術難點,完成了測量。
                       
                      據悉,國際聯合研究團隊通過聯合攻關,首次實驗實現了具有寬頻帶拓撲能隙的三維光學拓撲絕緣體。在這一研究過程中,楊怡豪博士巧妙地設計提出了一種由多個開口諧振器構成的電磁單元結構,該電磁單元結構具有很強的電磁雙各向異性特性,這是實現寬頻帶三維光學拓撲絕緣體并使實驗得以成功驗證的關鍵。
                       
                       
                      電磁雙各向異性介質單元
                       
                      三維光學拓撲絕緣體的設計過程并非一帆風順。但楊怡豪憑借團隊在新型人工異向介質材料上雄厚的研究基礎,經過十幾個版本迭代,歷時數月設計出了電磁雙各向異性介質單元。
                       
                      三維拓撲絕緣體的本質特征在于材料體內具有三維能隙,而材料表面具有二維狄拉克錐形式的能帶。此前科學家們驗證電子拓撲絕緣體需要購買高昂的檢測設備。此次國際聯合團隊根據光子或電磁波的特性搭建電磁波三維掃場平臺,進行了實驗測試。他們通過對三維光學拓撲絕緣體內部及表面電磁場分布成像,提取電磁波模式的色散特征。該研究團隊在實驗中成功觀測到該材料的三維能隙,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。
                       
                       
                      表面波無障礙的繞過Z型拐角
                       
                      由于表面光子受到拓撲保護,該三維光學拓撲絕緣體可以用來構建光子“高速公路”,讓光子在傳輸過程中,不被雜質、缺陷或者拐角影響,或者說,使各類缺陷“隱身”。為驗證上述理論,該研究團隊通過對三維曲面上表面態的成像,實驗驗證了表面波在界面傳播時能夠無障礙地繞過Z型拐角。這一現象表明,對表面波來說,這些拐角就像被“隱形”不可見一樣,而能夠繞過拐角實現高效傳播正是受益于三維光學拓撲絕緣體的拓撲保護特性。
                       
                      這項研究實現的三維光學拓撲絕緣體,或可適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波電磁調控器件中。該研究將三維拓撲絕緣體從費米子體系擴展到了玻色子體系,有望啟發其它波色子系統(如聲子及冷原子等)中三維拓撲絕緣體地實驗實現,對拓展三維拓撲態體系具有重要意義。
                       
                      《自然》雜志匿名評審專家評價該項研究工作時指出,實驗實現三維光學拓撲絕緣體十分重要,將推動該新興領域的發展。(來源:科學網 崔雪芹 柯溢能)
                       

                       

                       
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