中大新聞網(wǎng)訊（通訊員陳曉東）中山大學(xué)物理學(xué)院、光電材料與技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室董建文教授團(tuán)隊(duì)首次實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)了光學(xué)拓?fù)浒驳律^緣體。研究人員采用了一種創(chuàng)新的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，不僅構(gòu)建了互為時(shí)間反演對稱的光學(xué)贗自旋對，同時(shí)還能靈活地調(diào)控?zé)o序程度的強(qiáng)弱，成功實(shí)現(xiàn)了光學(xué)拓?fù)浒驳律^緣體（Photonic Topological Anderson Insulator, PTAI）。通過理論分析，數(shù)值模擬以及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，研究人員全面證實(shí)了無序誘導(dǎo)的拓?fù)湎嘧兊拇嬖凇４送?，進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)展示了無序誘導(dǎo)的光束轉(zhuǎn)向，揭示了無序?qū)鈧鞑フ{(diào)控的潛力。該項(xiàng)研究成果以“Realization of Time-Reversal Invariant Photonic Topological Anderson Insulators”為題在線發(fā)表在國際著名期刊《物理評論快報(bào)》（Physical Review Letters）。
在近年來的拓?fù)涔庾訉W(xué)研究中，科學(xué)家們設(shè)計(jì)和制造了多種具有非平庸特性的光學(xué)拓?fù)浣^緣體。這些材料在無序程度較低時(shí)，能夠維持邊界態(tài)的魯棒傳播，這對于開發(fā)高性能的片上光波導(dǎo)和拓?fù)浼す馄骶哂兄匾饬x。然而，當(dāng)無序程度增強(qiáng)時(shí)，帶隙會閉合，導(dǎo)致系統(tǒng)退化為平庸態(tài)，從而失去邊界態(tài)的魯棒性。值得注意的是，某些特定的強(qiáng)無序條件并不會對光的傳播產(chǎn)生負(fù)面影響，反而可以通過無序誘導(dǎo)的拓?fù)湎嘧儯瑢⑾到y(tǒng)從平庸態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橥負(fù)鋺B(tài)，形成拓?fù)浒驳律^緣體。然而，到目前為止，仍然沒有從實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)時(shí)間反演對稱PTAI。
為此，研究團(tuán)隊(duì)研究了一種特殊的平板光子晶體結(jié)構(gòu)，如圖1所示。在該結(jié)構(gòu)中，研究人員利用橫磁波導(dǎo)模和橫電波導(dǎo)模的線性組合來構(gòu)建互為時(shí)間反演對稱的光學(xué)贗自旋對。這是實(shí)現(xiàn)時(shí)間反演對稱PTAI的關(guān)鍵步驟。此外，通過隨機(jī)旋轉(zhuǎn)晶體原胞中的各向異性三腳架型金屬塊，研究人員能夠引入無序，并且可以通過旋轉(zhuǎn)角度的大小來靈活調(diào)控?zé)o序程度的強(qiáng)弱。這種設(shè)計(jì)為實(shí)驗(yàn)上控制無序提供了一種有效的方法。接著，通過理論分析，數(shù)值模擬以及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，研究人員全面證實(shí)了無序誘導(dǎo)的拓?fù)湎嘧兊拇嬖?。此外，進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)展示了無序誘導(dǎo)的光束轉(zhuǎn)向，揭示了無序?qū)鈧鞑フ{(diào)控的潛力。
圖1 時(shí)間反演對稱的光學(xué)拓?fù)浒驳律^緣體示意圖（圖上方青色部分）。
該研究由中山大學(xué)完成，董建文教授為通訊作者，陳曉東副教授、高梓軒博士為共同第一作者。合作單位包括香港科技大學(xué)，陳子亭教授為通訊作者，崔曉晗博士后為共同第一作者。該研究得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金委重點(diǎn)項(xiàng)目等的資助，以及物理學(xué)院、光電國重室等的大力支持。
論文鏈接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.133802
