文章信息

非互易拓扑光子学

Non-reciprocal topological photonics

王子尧，陈福家，郗翔，高振，杨怡豪

物理学报, 2024, 73(6): 064201.

doi: 10.7498/aps.73.20231850

原文链接

文章导读

利用光子作为信息载体是近年信息科技的前沿研究热点。然而，在传统光学器件中，当光遇到缺陷、杂质、大角度拐弯、折叠扭曲等障碍时，不可避免地产生有害散射。这些散射不仅极大地降低光学器件的传输效率，而且造成相邻器件间的信号串扰，严重破坏光信息传输的稳定性和完整性。得益于拓扑光子学的提出与发展，研究人员获得了从物理根本上解决上述问题的新思路。拓扑光子学源于凝聚态物理中对物质拓扑相的研究，由2016年诺贝尔物理学奖获得者普林斯顿大学Duncan Haldane教授于2005年首次提出。其中，拓扑光学绝缘体作为拓扑光子学早期主要研究对象，其独特之处在于结构内部禁止电磁波传输而表面存在背向散射抑制、缺陷免疫以及单向传输的电磁波模式。这种奇异的表面波模式受到体能带的非平庸拓扑特性保护，极大地增强了电磁信号传输的稳定性和完整性。一般来说，根据系统的时间反演对称性是否被打破，拓扑光子学主要分为互易拓扑光子学和非互易拓扑光子学。前者主要研究具有时间反演对称性的互易拓扑光子结构，其拓扑特性仅有特殊的空间对称性保护，只对特定缺陷或障碍才具拓扑保护作用。后者研究时间反演对称性破缺的光学系统（如光学陈绝缘体），这类系统支持的手性边界/表面态的单向传输特性不会被任何无序、缺陷、尖锐拐角、金属等障碍物破坏，具有极强的抗干扰能力。因此，非互易拓扑光子学在提升光学器件鲁棒性和设计新型非互易光学器件方面具有重要意义。此外，在凝聚态物理体系中破缺时间反演对称性一般极为困难，相反，在经典波体系中则可以相对容易地通过对钇铁石榴石铁氧体等施加强磁场来破缺时间反演对称性。因此，非互易拓扑光子学在前沿物理探索中同样具有重要价值。

鉴于近几年二维及三维非互易拓扑光子学的迅猛发展，有必要对整个非互易拓扑光子学研究领域进行全面、系统地梳理、总结和展望，《物理学报》2024年第6期特邀综述栏目刊登了浙江大学杨怡豪研究员课题组和南方科技大学高振副教授课题组合作撰写的非互易拓扑光子学文章。该综述首先对过去十几年间非互易拓扑光子学的研究方向进行了介绍，主要包括二维非互易拓扑光子学（如二维光学陈绝缘体、反常弗洛凯拓扑绝缘体、光学拓扑安德森绝缘体、非晶光学陈绝缘体等）和三维非互易拓扑光子学(三维磁性外尔光子晶体、三维光学陈绝缘体、光学轴子绝缘体以及拓扑单向光纤)，然后讨论了非互易拓扑光子学在鲁棒光学器件中的潜在应用，如宽带拓扑慢光、拓扑频率路由、拓扑单向波导、拓扑单向光纤、非互易拓扑谐振腔、非互易拓扑激光器、拓扑涡旋激光器等。在文章的最后，作者对非互易拓扑光子学发展所面临的许多亟待解决的关键性问题进行了总结。

文章在非互易拓扑光子学的关键发展阶段，详细地总结了该方向的前期研究成果，分析了非互易拓扑光子学面临的挑战，对推动该领域的进一步发展具有重要的参考价值。

图4 (a) 手性边界态的多重布里渊区缠绕产生宽带拓扑慢光^[104]; (b) 拓扑频率路由^[77]; (c) 三维光学陈绝缘体手性表面态的单向鲁棒传输^[51]; (d) 基于第二陈数的拓扑单向光纤^[45]; (e) 形状任意非互易拓扑激光器^[57]; (f) 基于二维非互易拓扑光子晶体的拓扑涡旋激光器^[107]; (g) 手性腔量子电动力学^[53] ([45] Lu L, Gao H, Wang Z 2018 Nat. Commun.9 5384; [51] Liu G G, Gao Z, Wang Q, et al. 2022 Nature 609 925; [53] Owens J C, Panetta M G, Saxberg B, et al. 2022 Nat. Phys. 18 1048; [57] Bahari B, Ndao A, Vallini F, et al. 2017 Science 358 636; [77] Wang Y N, Wang H X, Liang L, et al. 2023 Nat. Commun.14 4457; [104] Chen F J, Xue H R, Pan Y, et al. 2023 arXiv: 2208.07228 [physics.app-ph]; [107] Bahari B, Hsu L, Pan S H, et al. 2021 Nat. Phys. 17 700)

作者简介

杨怡豪

浙江大学研究员、博导。

2017年获浙江大学博士学位，2017至2020年在新加坡南洋理工大学从事博士后研究。研究方向包括超构材料、拓扑/非厄米光子学、电磁隐身等。已发表SCI论文70余篇，其中以第一/通讯作者发表40论文，包括Nature (2篇)、Nature Photonics、Nature Physics、Nature Reviews Materials、Physical Review Letters (6篇)、Nature Communications (6篇)、Science Advances等。相关论文多次被Physics、Physics World、Physorg、IEEE Spectrum、科学网、国自然基金委员会要闻等报道；三次入选PRL编辑推荐；多次入选期刊封面(Nature Photonics)；五篇论文入选ESI热点论文(Top 0.1%)/高被引论文(Top 1%)。成果入选中国光学十大进展(2019)、中国光学领域十大社会影响力事件(Light10) (2019、2022)、浙江大学十大学术进展(2019)。曾获中国光学工程学会自然科学奖一等奖(第一完成人)、中国电子学会优秀博士论文奖、中国新锐科技人物杰出成就奖。担任Nature等多个期刊的长期审稿人，担任InfoMat、Chinese Optics Letters、Photonics、PIER等期刊(青年)编委。

高振

南方科技大学副教授，IEEE 高级会员。

分别于2009年和2012年获得浙江大学工学学士和工学硕士学位，2018年获得新加坡南洋理工大学物理与应用物理学博士学位。2021年4月加入南方科技大学，担任电子与电气工程系副教授。主要研究方向包括电磁场理论与应用、光子晶体、超构材料、拓扑光学/声学/电路、太赫兹光学等。以第一作者或通讯作者身份在 Nature (2篇)、Nature Communications (2篇)、Physical Review Letters (3篇)、Advanced Materials (2篇)等期刊共发表40余篇学术论文，总引用超过 3100 多次，h-index为23， 四篇论文入选 ESI 高被引论文，其中关于首次实现三维光学拓扑绝缘体和三维光学陈绝缘体的研究成果两次发表于国际顶级期刊Nature。相关研究成果多次被国内外科技媒体作为亮点报道。此外，还获得 2016年中国国家优秀自费留学生奖、2019年中国光学十大进展、2019年及2022年中国光学十大社会影响力事件(Light10)、2022 年亚洲通信与光子学国际会议青年科学家奖、2023年电磁波与光学国际研讨会青年科学家奖、2023年全球光电大会青年科学家奖、2023年光电全球会议青年科学家奖、深圳市国家级领军人才、南方科技大学工学院青年科研奖、南方科技大学优秀书院导师、南方科技大学树礼书院优秀书院导师等荣誉。

郗  翔

东莞理工学院准聘副教授。

2021年博士毕业于南京大学电子科学与工程学院，随后在南方科技大学高振课题组进行博士后研究，2023年12月加入东莞理工学院，担任电气与智能化学院副教授。主要研究方向包括电磁场理论与应用、光子晶体、拓扑光学等。以第一作者身份在Nature Communications、Physical Review Letters、Photonics Research 等期刊共发表 10 余篇学术论文。

王子尧

南方科技大学博士生

陈福家

浙江大学博士生