摘要：对光传输的调控一直是光学研究的核心主题，它是现代通讯系统和光计算等领域的基石。自由空间中的光通常只能沿着直线传输。为了使光能“拐弯”，科学家们开发了各种光学器件，如光纤和波导等，并在日常生活中得到了广泛应用。然而，无论是在自由空间还是在传统光学器件中，光的传输

撰稿：刘癸庚、Subhaskar Mandal、郗翔、王强

研究背景

对光传输的调控一直是光学研究的核心主题，它是现代通讯系统和光计算等领域的基石。自由空间中的光通常只能沿着直线传输。为了使光能“拐弯”，科学家们开发了各种光学器件，如光纤和波导等，并在日常生活中得到了广泛应用。然而，无论是在自由空间还是在传统光学器件中，光的传输都容易受到障碍物的干扰，而发生反射和散射等现象。核心原因是因为在这些传统的传输媒介中，光的传输具有“互易性”，即光在这些媒介中正向和反向均可传输。

为了实现更为“稳健”的光传输，科学家们开始研究“非互易”光学器件，即光在其中只能沿着一个方向传输。但现有的非互易器件，如隔离器和环形器等，功能过于简单，难以满足复杂应用场景下的需求。近年来，拓扑物理的发展为实现非互易光传输提供了新的思路。拓扑物理是研究材料的全局性质和稳定性的一门新兴科学，它关注物质状态在连续变化下的不变特性。该领域的相关成果已三次荣获诺贝尔物理学奖。例如，科学家们在二维光子晶体中构造了一种光学陈绝缘体，制造出了只支持手性边界模式传输的单向光波导（图1a）。这种单向波导的概念最早由诺贝尔物理学奖得主F. D. M. Haldane在2005年提出，并由麻省理工学院的Marin Soljačić团队在2009年成功实现。这一成果催生出了拓扑光学这一致力于研究高效、稳定且单向光传输的前沿研究领域。

随着技术需求的增长，尤其是在三维空间中的信息处理和通信技术方面，需要在更高维度上实现拓扑保护传输特性。于是，科学家们开始探索如何拓展二维系统的功能，在三维空间中实现光的单向传输。2022年，新加坡南洋理工大学张柏乐教授团队和合作者成功将二维陈绝缘体推广到三维体系中，观测到了三维陈绝缘体的二维手性表面态（图1b）。这种表面态可以沿着三维器件的表面单向传输，能够极大的提升电磁信号的传输容量。

图1：二维光学陈绝缘体、三维光学陈绝缘体、三维光学轴子绝缘体的对比

研究简介

另一方面，如何让光的传输路径在三维空间中任意调控，以实现对光传输更自由更精确的控制，仍然是一个未解决的问题。基于这一需求，来自新加坡、中国和西班牙等多家机构合作构建了一种光学轴子绝缘体，实现了让光仅沿着三维结构的一维棱进行单向传输。这种结构可以使得光在三维空间自由传输，甚至能够让光的传输路径“打结”，并且其传输路径遇到障碍物也能完美绕过，不会发生任何散射或反射（图1c）。

该工作以“Photonic axion insulator”为题发表于Science。南洋理工大学刘癸庚博士（现任西湖大学助理教授）、Subhaskar Mandal博士（现任印度理工学院助理教授）、东莞理工学院郗翔副教授、南京大学王强副教授为共同第一作者。南洋理工大学张柏乐教授为通讯作者。此外，西班牙Donostia国际物理中心Aitzol García-Etxarri教授、Maia G. Vergniory教授、Chiara Devescovi博士、Antonio Morales-Pérez博士、南洋理工大学Chong Yidong教授、龙洋博士、Rimi Banerjee博士、南方科技大学高振副教授、硕士生王子尧、杨林运博士、电子科技大学周佩珩教授和东莞理工学院孟岩副教授等也为本工作做出了重要贡献。

研究亮点

这项工作基于三维光学轴子绝缘体实现了对光传输的调控，主要有以下几个发现：

1. 三维轴子绝缘体具有表面陈数为±1/2的表面态

首先，研究团队构建了一种三维反铁磁Haldane模型（图2a），并设计了相应的三维磁性光子晶体来等效实现这一模型（图2b）。这种光子晶体由二维陈绝缘体堆叠而成，并且保持相邻两层陈绝缘体之间的陈数相反。层间耦合则通过耦合板上的空气孔来实现。当每层的空气孔均相同时，该光子晶体呈现出类似三维拓扑绝缘体的特性，并在其侧面的表面态显示出单个狄拉克锥的色散。研究团队实验制造了这种三维磁性光子晶体（图2c），并在实验上成功观测到了具有单个狄拉克锥的表面态（图2d）。

图2：三维反铁磁拓扑绝缘体与单狄拉克锥表面态

图源：Science

进一步地，研究团队通过调节耦合板上空气孔的大小（图3a），实现了相邻两层之间空气孔大小的差异化。理论计算显示，该光子晶体表现出轴子绝缘体的相态。它的所有表面态均具有完全带隙（即带隙频率内的光不能在表面传播），且每个表面的陈数均为+1/2或-1/2（图3c-d）。此外，通过将一个二维陈绝缘体贴合到轴子绝缘体的某个表面上，可以改变该表面的陈数（图3b-d）。

图3：三维轴子绝缘体与手性棱态

图源：Science

2. 轴子绝缘体的手性棱态具有单向传输性质

根据拓扑理论的体边对应关系，当两个表面的陈数分别为+1/2和-1/2时，在它们的交界处会形成支持一维单向传输的手性棱态（图3c和d）。研究团队实验制造了这种三维磁性光子晶体（图4a），并利用电磁近场扫描技术获得了微波天线辐射的电场分布（图4b），成功直接观测到了手性棱态的单向传输特性。此外，实验中还发现，棱态传输能够完美绕过金属障碍物而不发生任何反向散射，显示出极强的鲁棒性。最后，通过对近场扫描得到的电场分布进行傅里叶变换，进一步证实了棱态传输的群速度仅沿一个方向，这直接验证了轴子绝缘体中棱态的单向传输性质。

图4：拓扑手性棱态的单向传输

图源：Science

3. 手性棱态可以在三维空间中被任意编织

轴子绝缘体可以实现让光沿着其棱保持单向传输。通过巧妙设计轴子绝缘体的形状，可以精确控制手性棱态的传输轨迹，使其在三维空间中构成复杂的路径。例如，本工作展示了如何让光在三维空间中形成一个trefoil纽结（图5a-c），实现了光的“打结”。此外，他们还成功让两束光在空间中相互嵌套，形成了一个Hopf链环（图5d-f）。

图5：手性棱态在三维空间形成knot和link

图源：Science

总结

本工作成功构建了一种三维轴子绝缘体，实现了手性棱态在三维空间中的单向传输。通过设计轴子绝缘体的结构，能够在三维空间中精确控制光的传输路径，甚至实现光的“打结”。此外，这种传输模式在即使遇到障碍物时也能保持严格的单向性，展现出极强的鲁棒性。这一发现为实现三维空间中光传输的调控提供了新的机理与平台，为未来新型电磁器件的开发和应用提供了更多的可能性。

论文信息

Gui-Geng Liu et al. , Photonic axion insulator.Science387,162-166(2025).

长三角G60激光联盟陈长军转载

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来源：江苏激光联盟