光线在拐角处畅通无阻且没有特殊材料的反射

时间：2021-09-16 09:52:06 来源：

硅穿孔板中的拓扑光子晶体的电子显微镜图像。顶部和底部的晶体结构略有不同。沿着两个部分（虚线）之间的边界可以引导光。对两种晶体中光场的不同数学描述（拓扑）规定，它们的边界必须传导光。因此，这种传导受到“拓扑保护”。

AMOLF和TU Delft研究所的研究人员已经看到，光以一种特殊的材料传播，而不会受到反射的影响。这种材料是光子晶体，由两个部分组成，每个部分的穿孔方式略有不同。光可以以特殊的方式沿着这两个部分之间的边界传播：“受拓扑保护”，因此不会在缺陷处反弹。即使边界形成一个尖角，光线也可以毫无问题地跟随它。“这是我们第一次看到这些引人入胜的光波在技术上与纳米光子学相关的规模而移动，” AMOLF小组组长Ewold Verhagen说。研究结果于3月6日发表在科学杂志《科学进展》上。

拓扑绝缘子：特殊电子

Verhagen及其合作伙伴来自DEL Delft的Kobus Kuipers受到电子材料的启发，所谓的拓扑绝缘体构成了具有卓越性能的新型材料。在大多数材料对电子导电或不导电的情况下（这使它们成为绝缘体），拓扑绝缘体表现出一种奇怪的导电形式。Verhagen说：“拓扑绝缘体的内部不允许电子传播，但是电子可以沿着边缘自由移动”。“重要的是，这种传导是'拓扑保护的'；电子不受通常会反射它们的无序或缺陷的影响。因此，传导具有极强的鲁棒性。”

转换为光子学

在过去的十年中，科学家们也试图通过光的传导来发现这种行为。Verhagen说：“我们真的想对纳米级的光传播进行拓扑保护，从而为在光学芯片上引导光打开一扇门，而又不会受到缺陷和尖角处的散射的阻碍。”

对于他们的实验，研究人员使用了二维光子晶体，它们具有两个略有不同的孔图案。能够导光的“边缘”是两个孔型之间的界面。Kuipers说：“在边缘进行光导是可能的，因为这些光子晶体中光的数学描述可以用特定的形状来描述，或者可以用拓扑来更精确地描述。”两种不同的空穴图案的拓扑结构是不同的，并且正是这种性质允许边界处的光传导，类似于拓扑绝缘体中的电子。由于两个孔型的拓扑均被锁定，因此无法取消光的传导。它是“受拓扑保护的”。

成像拓扑光

研究人员设法用显微镜对光传播进行了成像，并观察到其行为符合预期。此外，他们在观察到的光下目睹了拓扑或数学描述。库伊珀斯：对于这些光波，光的极化方向沿某个方向旋转，类似于拓扑绝缘体中的电子自旋。光线的旋转方向决定了光线的传播方向。由于偏振不易改变，因此光波甚至可以在尖角处流动而不会发生反射或散射，就像在常规波导中那样。

技术相关性

研究人员是第一个在技术上与纳米光子芯片相关的规模上直接观察受拓扑保护的光的传播的人。通过有意使用硅芯片和与电信中使用的波长相似的光，Verhagen期望增加应用前景。“我们现在将研究拓扑保护是否存在任何实际或基本的界限，以及我们可以利用这些原理来改善光学芯片上的哪些功能。我们首先想到的是使光子芯片上的集成光源更可靠。考虑到节能数据处理或“绿色ICT”，这一点很重要。同样，为了有效地传递小包装的量子信息，光的拓扑保护可能会很有用。

参考：“直接观察硅光子晶体中的拓扑边缘状态：自旋，分散和手性路线”，Nikhil Parappurath，Filippo Alpeggiani，L.Kuipers和Ewold Verhagen于2020年3月6日发表，科学进展。
10.1126 / sciadv.aaw4137

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