bat365董建文教授团队在拓扑光子晶体研究取得重要进展

       bet亚洲登录官方网站、光电材料与技术国家重点实验室董建文教授研究团队提出了在由二维动量空间和二维平移参量空间联合构建的四维合成空间中实现第二陈晶体的方法。这种第二陈晶体具有內禀非平庸拓扑属性，不依赖于晶格类型和原胞结构参数，通过降维可以得到存在于更低维度的拓扑边缘模、拓扑角模和拓扑位错模。该方法不仅为拓扑光子晶体的设计带来了新视角，还可以推广到任意晶格类型的片上硅基微纳光子晶体设计中，提供了在经典波系统中的设计拓扑器件的普适方案。

       众所周知，实现新型光场调控，可以揭示基础光物理，发现光学新应用，在信息、生命、化学和材料等领域具有广泛的应用前景。近年来，研究者将拓扑物理引入到光学应用中，发现了多种拓扑非平庸的光学拓扑绝缘体，实现了单向光传输、抗散射光传输等光场调控，设计了高效光波导和局域光学微腔。在众多光学拓扑结构中，光子晶体由于其灵活可调的光子能带，成为研究拓扑物理、实现新型光场调控的重要研究体系之一。为了实现拓扑光子晶体，往往需要精心设计晶体构型及其所含材料结构参数。例如，霍尔拓扑光子晶体需要通过对磁性材料施加外加磁场来实现，自旋霍尔拓扑光子晶体需要通过设计复杂超材料结构或者基于特定晶体对称性来实现。这不仅增加了光学拓扑结构的设计难度，而且精心设计所得结构往往导致不同拓扑器件的形貌大相径庭，难以级联。因此，能否从任意的周期结构出发来实现非平庸拓扑结构不仅是一个重要科学问题，还是让拓扑器件由理论迈向应用的重要一环！

       为解决这一难题，董建文教授团队通过在更高维度的空间中重新审视已有工作，研究发现：过去人们习惯于在动量空间中去实现和讨论拓扑光子晶体，但是动量空间的维度一般与实空间的维度保持一致，这极大地阻碍了人们对高纬度空间的拓扑模式的探索。受到合成维度物理和四维量子霍尔效应的启发，董建文教授团队通过引入两个额外的合成平移维度，并结合二个动量维度构建了四维空间的第二陈晶体（如图1（a）所示）。不同于二维空间中的第一陈数，表征四维空间中晶体拓扑属性的拓扑不变量是第二陈数。通过严格公式推导和详细数值计算，他们发现该四维合成空间中每条独立能带的第二陈数恒等于1，证实了这种第二陈晶体的内禀非平庸拓扑属性。进一步地，当对四维合成平移空间中的第二陈晶体进行维度截断时可以获得局域在相应低维边界处拓扑模式。特别地，当同时在两个周期方向上用PEC边界去进行维度截断时，可以观察到：局域在角落处的无带隙拓扑角模（如图1（b）（c）所示）。值得注意的是，这种无带隙拓扑角模的存在不依赖于晶体对称，因此提供了在任意晶体结构中实现光场局域的设计方案。同时角模频率覆盖整个光子禁带频率范围，这对于灵活地设计拓扑光子器件同样重要，可选择性设计微腔的响应频率。此外，位错是一种常见的实空间晶体缺陷，同样可以实现光场局域，支持局域模场。研究团队通过维度压缩将四维空间投影到一维空间，揭示了频率覆盖整个禁带的一维拓扑位错模。具体地，先固定每个原胞内圆柱的横向平移量Δx，然后建立纵向平移量Δy与方位角θ的线性关系后，可以得到由伯格斯矢量标定的位错结构，能够在不依靠PEC边界的情况下实现光场局域（如图1（d）所示）。进一步，这种拓扑位错模遍历所有Δx参数后可以重建出一维涡旋线模式（如图1（e）所示）。需要特别指出，这种拓扑位错模式在引入额外的缺陷后仍然存在，证明了其对各类扰动持有鲁棒性（如图1（f）（g）所示）。

       相关研究成果以“Second Chern crystals with inherently nontrivial topology”为题在线发表在《National Science Review》期刊。研究成果由广东省自然科学基金首批卓越青年团队的陈晓东副教授、陈文杰教授和董建文教授合作完成，香港科技大学陈子亭教授也为该工作做出了重要贡献。上述工作得到了国家自然科学基金重点/面上项目、广东省自然科学基金杰出青年项目等的支持，同时也受到bet亚洲登录官方网站和光电材料国家重点实验室的大力支持。

论文链接：https://doi.org/10.1093/nsr/nwac289

爱光学论文介绍链接：https://mp.weixin.qq.com/s/s46RqKFouewR0xFpgnl_LQ

中国科学杂志社论文介绍链接：https://mp.weixin.qq.com/s/JNDxd8vdBunmSZpZr--zoQ

图1.（a）合成平移维度下第二陈晶体的示意图；（b）第二陈晶体在维度截断下支持的低维拓扑模式；（c）第二陈晶体的拓扑角模的场分布；（d）基于第二陈晶体设计的位错结构的拓扑位错模的场分布；（e）一维无带隙位错模；（f）在位错结构中引入介质缺陷的一维无带隙位错模；（g）在位错结构中引入PEC缺陷的一维无带隙位错模；