光沿直線傳播，這是我們的常識，科學(xué)家卻有辦法讓光拐彎，發(fā)生許多有趣的現(xiàn)象，譬如隱身衣。2019年1月9日，浙江大學(xué)和新加坡南洋理工大學(xué)的科學(xué)家合作構(gòu)建出世界上首個三維光學(xué)拓撲絕緣體。

浙江大學(xué)陳紅勝團隊曾在2013年制造出一種可見光波段的隱形器件，讓金魚、貓等動物在人眼前遁形。如果能讓光像流水一樣，在物體表面不發(fā)生散射，沒有散射光的情況下，人眼就識別不出物體了。

圖：一條金魚在可見光波段的隱形裝置中進出

圖：表面波遇到缺陷、雜質(zhì)、或者波導(dǎo)拐彎等，會產(chǎn)生不可避免地散射

在很多器件中，電磁波必須繞著彎走。在目前的技術(shù)體系中，一旦轉(zhuǎn)彎幅度大，電磁波就會發(fā)生散射，影響傳輸效率。轉(zhuǎn)彎幅度小，就不利于節(jié)省空間。光在急轉(zhuǎn)彎的時候，也不發(fā)生散射，這是實現(xiàn)未來光子芯片的一項巨大的挑戰(zhàn)。

拓撲絕緣體

拓撲絕緣體是一種表面導(dǎo)電，內(nèi)部絕緣體的材料，它能讓電子繞著材料表面?zhèn)鬏敚诓牧蟽?nèi)部卻“禁止通行”。著名科學(xué)家張首晟在向公眾介紹拓撲絕緣體時，曾以“高速公路”作比喻：電子在芯片里的運動，就像一輛輛跑車在集市里行駛，不斷地碰撞，產(chǎn)生熱量。筆記本電腦放在腿上，時間一長就感覺很燙。正是電子碰撞產(chǎn)生的熱量，導(dǎo)致摩爾定律將失效。而拓撲絕緣體好似為電子建立了高速公路，讓電子在一條條“單向車道”上運行。

電子的“高速公路”，光子能跑嗎？2005年，普林斯頓大學(xué)的鄧肯·霍爾丹（2016年諾貝爾物理學(xué)獎得主）進行了一項思想實驗，試圖將拓撲絕緣體的理論拓展到光學(xué)體系。這一大膽的想法在科學(xué)界引起質(zhì)疑與爭議，論文直到2008年才發(fā)表在PRL上，光學(xué)拓撲絕緣體的理論正式問世。2009年，MIT 物理系Marin Solja?i?教授研究組Zhen Wang和Yidong Chong在Nature發(fā)表文章，首次通過實驗實現(xiàn)了二維光學(xué)拓撲絕緣體，開啟了光學(xué)拓撲絕緣體的實驗研究。

當前，關(guān)于光學(xué)拓撲絕緣體的實驗研究仍局限在二維材料。2017年，紐約城市大學(xué)的Alexander B. Khanikaev教授團隊提出了無磁性材料的三維光學(xué)拓撲絕緣體的設(shè)計理論。“我們關(guān)注到了這項工作，但其參數(shù)十分苛刻。”楊怡豪說，在浙江大學(xué)和新加坡南洋理工大學(xué)，聯(lián)合課題組開始嘗試搭建新型的實驗體系。這是科學(xué)界第一次嘗試用實驗實現(xiàn)光學(xué)三維拓撲絕緣體。有望解決電子芯片的發(fā)熱、光子芯片的信號耗散等一系列問題。

從電子體系到光子體系，從二維到三維，研究對象存在許多本質(zhì)區(qū)別，實驗遇到了前所未有的困難。一開始，他們甚至沒有現(xiàn)成的實驗設(shè)備進行測量。

楊怡豪巧妙地提出設(shè)計了一種由多個開口諧振器構(gòu)成的單元結(jié)構(gòu)。“這是‘高速公路’的路基，也是實驗成功的關(guān)鍵。”陳紅勝說。最終，聯(lián)合課題組首次實現(xiàn)了三維光學(xué)拓撲絕緣體，它具有寬頻帶拓撲能隙，可以用印刷電路板技術(shù)制作完成。

三維世界光子的“高速公路”，是“Z”字形的。表面波在界面?zhèn)鞑r，能夠無障礙的繞過Z型拐角。“通過對材料內(nèi)部及表面電磁場分布成像，我們觀測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)拓撲絕緣體的關(guān)鍵特征。”楊怡豪說。

圖：表面波無障礙繞過Z型拐角

“對表面波來說，這些拐角就像被隱形一樣，而能夠繞過拐角實現(xiàn)高效地傳播，這正是受益于三維光學(xué)拓撲絕緣體的拓撲保護特性。”陳紅勝說。這便是“光子高速公路”的神奇之處。“在這條高速公路上，無論道路多么曲折，光子都能一往無前。”楊怡豪說。“這就能避免光發(fā)生散射導(dǎo)致信息耗散的問題。”

“我們的工作首次賦予了三維光子帶隙以拓撲性質(zhì)，也就是說，將來可以像三維拓撲絕緣體控制電子一樣用三維拓撲光子晶體來控制光子。”Baile Zhang教授說。 

陳紅勝認為，這項研究首次將三維拓撲絕緣體從費米子體系擴展到了玻色子體系，并可能應(yīng)用于三維拓撲光學(xué)集成電路、拓撲波導(dǎo)、光學(xué)延遲線、拓撲激光器以及其他表面電磁波的調(diào)控器件等。

這或許是人類向光子芯片、光子計算機邁出的一步。未來，在微小的光子芯片里，光攜帶著信息在縱橫交錯的高速公路上奔跑，為我們創(chuàng)造著更快更好的世界。

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41586-018-0829-0 來源：浙江大學(xué)學(xué)術(shù)委員會、Nature