日前，浙江大學(xué)信息與電子工程學(xué)院教授陳紅勝課題組成功研制出首個(gè)三維光學(xué)拓?fù)浣^緣體，將三維拓?fù)浣^緣體從費(fèi)米子體系擴(kuò)展到了玻色子體系，有望大幅度提高光子在波導(dǎo)中的傳輸效率。研究成果今日于《自然》雜志正式發(fā)表。

這項(xiàng)研究由浙江大學(xué)陳紅勝教授課題組和新加坡南洋理工大學(xué)教授Baile Zhang、Yidong Chong課題組合作共同完成，浙江大學(xué)信息與電子工程學(xué)院博士楊怡豪為論文第一作者，陳紅勝和教授Baile Zhang、Zhen Gao為共同通訊作者，浙江大學(xué)為第一完成單位。

此前，三維光學(xué)拓?fù)浣^緣體的研究在該領(lǐng)域仍是空白，光學(xué)拓?fù)浣^緣體的實(shí)驗(yàn)研究僅局限于二維空間。據(jù)悉，在二維空間下，表面波傳播時(shí)只有一維單向的拓?fù)溥吔鐟B(tài)，而表面波在三維光學(xué)拓?fù)浣^緣體中傳播時(shí)，其拓?fù)浔砻鎽B(tài)表現(xiàn)為二維無質(zhì)量狄拉克費(fèi)米子。“實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)三維光學(xué)拓?fù)浣^緣體十分重要，將推動(dòng)該新興領(lǐng)域的發(fā)展。”《自然》匿名評(píng)審專家在評(píng)價(jià)該研究時(shí)說。

電磁雙各向異性介質(zhì)單元(圖片由課題組提供)

光是生活中常見的電磁波，不僅能夠在空中傳播，也可在引導(dǎo)電磁波的波導(dǎo)器件中傳播，或在兩層介質(zhì)交界面處沿著界面?zhèn)鞑ィ幢砻娌?。電磁波在這些波導(dǎo)或者介質(zhì)交界面?zhèn)鞑r(shí)，如遇到缺陷、雜質(zhì)、波導(dǎo)拐彎等，會(huì)產(chǎn)生不可避免的散射，從而造成能量損耗，這將極大地降低波導(dǎo)的傳輸效率。

為了解決這一難題，在研究過程中，楊怡豪博士等巧妙地設(shè)計(jì)提出了一種由多個(gè)開口諧振器構(gòu)成的電磁單元結(jié)構(gòu)，該電磁單元結(jié)構(gòu)具有很強(qiáng)的電磁雙各向異性特性，這是實(shí)現(xiàn)寬頻帶三維光學(xué)拓?fù)浣^緣體并使實(shí)驗(yàn)最終得以成功驗(yàn)證的關(guān)鍵。

課題組負(fù)責(zé)人介紹，在最終確定三維光學(xué)拓?fù)浣^緣體前，團(tuán)隊(duì)也根據(jù)光子的特性搭建了電磁波三維掃場(chǎng)平臺(tái)，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。通過對(duì)三維光學(xué)拓?fù)浣^緣體內(nèi)部及表面電磁場(chǎng)分布成像，提取電磁波模式的色散特征，該研究團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)中成功地觀測(cè)到了該材料的三維能隙，以及具有二維狄拉克錐形式的表面態(tài)——這些正是三維光學(xué)拓?fù)浣^緣體的關(guān)鍵特征。

表面波無障礙地繞過Z型拐角(圖片由課題組提供)

此外，由于表面光子受到拓?fù)浔Ｗo(hù)，該三維光學(xué)拓?fù)浣^緣體可以用來構(gòu)建光子“高速公路”，讓光子在傳輸過程中，不被雜質(zhì)、缺陷或者拐角影響，或者說，各類缺陷“隱身”了。為了對(duì)上述理論進(jìn)行驗(yàn)證，該研究團(tuán)隊(duì)通過對(duì)三維曲面上表面態(tài)的成像，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了表面波在界面?zhèn)鞑r(shí)能夠無障礙地繞過Z型拐角。這一現(xiàn)象表明，對(duì)表面波來說，這些拐角就像被“隱形”不可見一樣，而能夠繞過拐角實(shí)現(xiàn)高效地傳播正是受益于三維光學(xué)拓?fù)浣^緣體的拓?fù)浔Ｗo(hù)特性。

據(jù)了解，這項(xiàng)研究實(shí)現(xiàn)的三維光學(xué)拓?fù)浣^緣體，或可適用于三維拓?fù)涔鈱W(xué)集成電路、拓?fù)洳▽?dǎo)、光學(xué)延遲線、拓?fù)浼す馄饕约捌渌砻娌姶耪{(diào)控器件中。由于將三維拓?fù)浣^緣體從費(fèi)米子體系擴(kuò)展到了玻色子體系，該研究有望啟發(fā)其它波色子系統(tǒng)(如聲子及冷原子等)中三維拓?fù)浣^緣體地實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)，對(duì)拓展三維拓?fù)鋺B(tài)體系具有重要的意義。

有關(guān)負(fù)責(zé)人介紹，這項(xiàng)工作的共同作者還包括浙江大學(xué)博士生張莉、賀夢(mèng)佳，新加坡南洋理工大學(xué)Ranjan Singh助理教授以及博士生Haoran Xue、Zhaoju Yang，他們也都在此工作中作出了重要貢獻(xiàn)。該工作受到國家自然科學(xué)基金委杰出青年基金項(xiàng)目、國家青年拔尖人才計(jì)劃等項(xiàng)目資助。