中山大學董建文教授與加州大學伯克利分校張翔教授合作，理論設計了能谷光子晶體，獲得了新型能谷-贗自旋相互作用，并實現(xiàn)了贗自旋和拓撲調(diào)控。
2017中國光學重要成果推薦
2016年，諾貝爾物理學獎授予了三位物理學家，以表彰他們在拓撲相變和拓撲物態(tài)的理論研究方面做出的卓越貢獻。
近年來，拓撲概念在物理學中大放異彩，其應用更是延伸至光學領域，新型光拓撲相被找尋到，其邊界上的無帶隙界面態(tài)也得到了證明。這種界面態(tài)中光的贗自旋（人工構造的新型自由度，類似于電子自旋）和傳播方向是關聯(lián)的（即贗自旋-路徑鎖定），使得具有不同贗自旋的光能量沿著不同方向傳播。
拓撲光學體系界面的這種類量子化電磁關聯(lián)行為，為探索新型光傳輸、實現(xiàn)精確光場調(diào)控如單向抗散射傳輸、光延遲線、光學外爾點、拓撲量子計算、非線性光學、拓撲信息學等領域和學科發(fā)展帶來新的契機。一般認為，這種關聯(lián)行為要求體系具有非平庸屬性。能否在普通體系中實現(xiàn)關聯(lián)行為,放寬拓撲非平庸這一嚴苛條件，進而獲得新的拓撲光子態(tài)，是目前一個重要的學術前沿問題。
“要解決這個問題，關鍵是引入新的相互作用形式”，中山大學董建文教授說到。受電子能谷自由度能實現(xiàn)電子高效傳輸?shù)膯l(fā)，董建文教授團隊與加州大學伯克利分校張翔教授課題組合作，通過構建能谷光子晶體（圖1），獲得了新型能谷-贗自旋相互作用，并實現(xiàn)了贗自旋和拓撲調(diào)控。相關工作發(fā)表在Nature Materials [16, 298 (2017)]上。
圖1 能谷光子晶體示意圖
該能谷光子晶體具有電磁對偶對稱性，在空間反演破缺的條件下，由于能谷-贗自旋相互作用實現(xiàn)了能谷附近的能帶劈裂，支持光學贗自旋-路徑關聯(lián)傳輸，即光學能谷霍爾效應，如圖2所示。電磁對偶能谷光子晶體具有一對孿生贗自旋，其中贗自旋向上具有同相Ez和Hz，而贗自旋向下則對應反相Ez和Hz。
當光源從頂端入射到能谷光子晶體時，沿左下方能谷K傳輸?shù)氖勤I自旋向下能流，而沿右下方能谷K’傳輸?shù)氖勤I自旋向上能流。需要說明的是，該能谷光子晶體的所有拓撲不變量均為0，表明該系統(tǒng)的確是拓撲平庸的。至此，利用其內(nèi)稟的能谷自由度以及新型能谷-贗自旋相互作用，他們證明了拓撲平庸體系中的光學能谷霍爾效應，獲得了贗自旋-路徑關聯(lián)行為。
同時，通過分析該能谷光子晶體內(nèi)的本征電磁場手征量，這一工作實現(xiàn)了贗自旋能流的單向傳輸。更為有趣的是，文章還在單一體系中，對能谷和拓撲兩個自由度進行獨立調(diào)控，實現(xiàn)了全新的拓撲光子界面態(tài)。
該研究表明，實現(xiàn)有效的拓撲光場調(diào)控，將有利于更多基本量子物理問題的實驗證實；同時也為新型光場多維度調(diào)控物理及應用，尤其是在光自旋和軌道角動量運用等方面，帶來新的有益啟示。
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