近日，南方科技大學(xué)電子與電氣工程系高振副教授課題組首次在三維光學(xué)拓?fù)浣^緣體中實(shí)驗(yàn)觀測到拓?fù)涞依�克渦旋傳輸態(tài)，相關(guān)成果以“Topological Dirac-vortex modes in a three dimensional photonic topological insulator”為題發(fā)表在 Nature Communications 上。

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實(shí)空間中的拓?fù)渚Ц袢毕菖c倒空間中的能帶拓?fù)渲�間的相互作用催生了許多新奇的拓?fù)湮锢憩F(xiàn)象，并擁有廣泛的應(yīng)用前景，例如拓?fù)涔鈱W(xué)腔、激光器、波導(dǎo)、光纖以及合成維度中的三維光學(xué)拓?fù)浣^緣體等。起源于帶質(zhì)量渦旋狄拉克方程的Jackiw-Rossi零模的拓?fù)涞依�克渦旋態(tài)已在高能物理、凝聚態(tài)物理及拓?fù)湮锢淼戎T多領(lǐng)域中引起了廣泛關(guān)注。這歸因于其獨(dú)特的物理性質(zhì)，如可調(diào)模式面積、任意模式簡并度、矢量光束發(fā)射和大自由光譜范圍等。然而，迄今為止，關(guān)于光學(xué)拓?fù)涞依�克渦旋態(tài)的研究仍局限于支持零維局域態(tài)的二維光學(xué)系統(tǒng)（如圖1a 所示）。盡管在三維聲子晶體中已經(jīng)實(shí)現(xiàn)一維狄拉克渦旋傳輸模式以及局域于三維狄拉克渦旋缺陷中的零維單極子模式，從而將拓?fù)涞依�克渦旋模式從二維聲學(xué)系統(tǒng)拓展到三維聲學(xué)系統(tǒng)。然而，由于三維空間電磁波的矢量特性，拓?fù)涞依�克渦旋模式能否在三維拓?fù)涔鈱W(xué)結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)（即使在理論上）仍是一個(gè)懸而未決的問題。圖片1.jpg

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圖1.三維 Kekulé 畸變蜂窩晶格中的拓?fù)涞依�克渦旋模式

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圖2.三維光學(xué)拓?fù)浣^緣體中的拓?fù)涞依�克渦旋模式

為了將拓?fù)涞依�克渦旋模式從二維光學(xué)系統(tǒng)拓展至三維光學(xué)系統(tǒng)，高振團(tuán)隊(duì)通過在三維類緊束縛金屬籠光子晶體中引入 Kekulé 畸變（如圖2a-2b所示），每一個(gè)介質(zhì)柱都被周圍的金屬柱包圍以束縛米氏共振，使得三維光子晶體中的矢量電磁波被簡化為標(biāo)量波，其體帶色散也類似于標(biāo)量波（如圖2c所示），且與三維緊束縛模型的色散（如圖1d所示）吻合。對(duì)三維類緊束縛金屬籠光子晶體施加隨位置變化的非周期性Kekulé畸變，由此引入隨位置變化的質(zhì)量項(xiàng)（如圖 2e 所示）。由此，其體能帶帶隙中出現(xiàn)了一維拓?fù)涞依�克渦旋傳輸模式（紅線，如圖2f 所示）。拓?fù)涞依�克渦旋模式束縛于一維狄拉克渦旋線缺陷并沿其雙向傳播（如圖 2g-2h所示）。圖片3.jpg

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圖3.三維光學(xué)拓?fù)浣^緣體中拓?fù)涞依�克渦旋模式的實(shí)驗(yàn)觀測

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圖4.光學(xué)拓?fù)涞依�克渦旋模式的魯棒性

利用微波近場成像測量，研究團(tuán)隊(duì)直接觀測到束縛于三維光子拓?fù)浣^緣體中一維狄拉克渦旋線缺陷并沿其傳播的拓?fù)涞依�克渦旋模式（如圖3所示）。此外，研究團(tuán)隊(duì)通過實(shí)驗(yàn)證明，光學(xué)拓?fù)涞依�克渦旋模式對(duì)各種缺陷和障礙物表現(xiàn)出強(qiáng)魯棒性（如圖4所示），使其非常適合在三維空間中進(jìn)行穩(wěn)健的電磁波操控。研究團(tuán)隊(duì)的工作不僅首次將光學(xué)拓?fù)涞依�克渦旋態(tài)從二維擴(kuò)展到三維，還為探索由三維拓?fù)涔庾泳�體中的拓?fù)渚Ц袢毕菟�催生的新穎物理現(xiàn)象和實(shí)際應(yīng)用提供了一個(gè)理想的平臺(tái)。

南方科技大學(xué)博士后顏貝、博士生綦熒楓、碩士生王子堯?yàn)樵撜撐牡墓餐�第一作者，高振、東莞理工學(xué)院副教授郗翔為論文共同通訊作者，南方科技大學(xué)為論文第一單位。該研究工作得到了國家自然科學(xué)基金委的支持。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-61238-7