近日，南方科技大學電子與電氣工程系高振副教授課題組首次在三維光學拓撲絕緣體中實驗觀測到拓撲狄拉克渦旋傳輸態(tài)，相關成果以“Topological Dirac-vortex modes in a three dimensional photonic topological insulator”為題發(fā)表在 Nature Communications 上。

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實空間中的拓撲晶格缺陷與倒空間中的能帶拓撲之間的相互作用催生了許多新奇的拓撲物理現(xiàn)象，并擁有廣泛的應用前景，例如拓撲光學腔、激光器、波導、光纖以及合成維度中的三維光學拓撲絕緣體等。起源于帶質量渦旋狄拉克方程的Jackiw-Rossi零模的拓撲狄拉克渦旋態(tài)已在高能物理、凝聚態(tài)物理及拓撲物理等諸多領域中引起了廣泛關注。這歸因于其獨特的物理性質，如可調模式面積、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，關于光學拓撲狄拉克渦旋態(tài)的研究仍局限于支持零維局域態(tài)的二維光學系統(tǒng)（如圖1a 所示）。盡管在三維聲子晶體中已經(jīng)實現(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，從而將拓撲狄拉克渦旋模式從二維聲學系統(tǒng)拓展到三維聲學系統(tǒng)。然而，由于三維空間電磁波的矢量特性，拓撲狄拉克渦旋模式能否在三維拓撲光學結構中實現(xiàn)（即使在理論上）仍是一個懸而未決的問題。圖片1.jpg

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圖1.三維 Kekulé 畸變蜂窩晶格中的拓撲狄拉克渦旋模式

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圖2.三維光學拓撲絕緣體中的拓撲狄拉克渦旋模式

為了將拓撲狄拉克渦旋模式從二維光學系統(tǒng)拓展至三維光學系統(tǒng)，高振團隊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），每一個介質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量波，其體帶色散也類似于標量波（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量項（如圖 2e 所示）。由此，其體能帶帶隙中出現(xiàn)了一維拓撲狄拉克渦旋傳輸模式（紅線，如圖2f 所示）。拓撲狄拉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3.三維光學拓撲絕緣體中拓撲狄拉克渦旋模式的實驗觀測

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圖4.光學拓撲狄拉克渦旋模式的魯棒性

利用微波近場成像測量，研究團隊直接觀測到束縛于三維光子拓撲絕緣體中一維狄拉克渦旋線缺陷并沿其傳播的拓撲狄拉克渦旋模式（如圖3所示）。此外，研究團隊通過實驗證明，光學拓撲狄拉克渦旋模式對各種缺陷和障礙物表現(xiàn)出強魯棒性（如圖4所示），使其非常適合在三維空間中進行穩(wěn)健的電磁波操控。研究團隊的工作不僅首次將光學拓撲狄拉克渦旋態(tài)從二維擴展到三維，還為探索由三維拓撲光子晶體中的拓撲晶格缺陷所催生的新穎物理現(xiàn)象和實際應用提供了一個理想的平臺。

南方科技大學博士后顏貝、博士生綦熒楓、碩士生王子堯為該論文的共同第一作者，高振、東莞理工學院副教授郗翔為論文共同通訊作者，南方科技大學為論文第一單位。該研究工作得到了國家自然科學基金委的支持。

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