近期，国际顶级期刊《自然》（Nature）以“Topological Chern vectors in three-dimensional photonic crystals”为题在线报道了浙江大学国际校区信息电子国际研究中心PI杨怡豪研究员（共同通讯作者）与 国内外团队合作的一项最新研究成果。该成果在国际上首次实现了三维光学陈绝缘体，构建了三维的光子“高速公路”，大幅度提升了光子的传输效率。
图1 三维光学陈绝缘体示意图
光学陈绝缘体是一类内部不透光，表面却可以导光的新型光学媒质，并且其表面光子沿单向传播，能够绕射缺陷、杂质、无序、尖锐弯角等障碍物，极大提升了光子的传输效率，对光信息和能量传输具有十分重要的意义。与二维光学陈绝缘体相比，三维光学陈绝缘体具有二维手性表面波，可实现更高容量信息传输以及更高集成度光学器件。然而，已有的光学陈绝缘体的实验研究局限于二维，三维光学陈绝缘体尚未被实验实现。
针对该挑战，杨怡豪研究员及其合作者们在国际上首次利用三维旋磁光子晶体实验实现了三维陈绝缘体，将陈数从标量拓展到了矢量；搭建表征设备，成功观察到了三维光学陈绝缘体的关键特征--二维手性表面波，并且揭示了其特有的矢量体边对应关系。此外，创造性地把霍尔丹模型从二维拓展到了三维，观察到了外尔半金属相到三维陈绝缘体相的相变过程。该工作启发了其它物理系统中三维陈绝缘体的实现和研究，并且有望应用于设计构造鲁棒性三维光学拓扑器件，如光学腔、激光等。
图2 三维光学陈绝缘体实验样品图
1. 三维光学陈绝缘体的表面波具有单向传输性质
为了验证该三维光学陈绝缘体的二维手性表面波，杨怡豪等人在样品表面放置了一个点源天线，通过近场扫描获得了表面波电磁场强度分布，直接证明了二维表面波的单向传输性质。进一步地，他们在表面上放置了许多金属障碍物，近场扫描结果显示，表面波能完美绕过障碍物，而没有产生任何背向散射 （见图3）。
图3 单向传输表面态
2. 三维光学陈绝缘体表面波的空间色散可以形成链环
不同于二维光学陈绝缘体只需要一个标量陈数来描述其拓扑性质，三维光学陈绝缘体需要用三个陈数组成的陈矢量来描述其拓扑性质。为了研究陈矢量的特性，杨怡豪等人构建了由两个陈矢量大小相同方向正交的陈绝缘体组成的界面（如图4a所示），并且研究该界面处的表面波空间色散。在某一个固定频率下，表面波的空间色散可以形成由两个纽结相互嵌套构成的链环(如图4b、c所示)。进一步研究表明，调节陈矢量的大小可以得到任意的纽结或链环。该工作首次揭示了纽结理论与拓扑光学的深刻内在联系。
图4三维光学陈绝缘体表面波空间色散形成的链环
国际校区信电中心杨怡豪研究员、新加坡南洋理工大学张柏乐教授和Yidong Chong、电子科技大学周佩珩教授为论文的论文通讯作者。南洋理工大学刘癸庚博士、南方科技大学高振博士为论文第一作者。浙大林晓博士等国内外专家也为该工作做出了贡献。该工作获得国家自然科学基金委等项目支持。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-022-05077-2
浙江大学国际校区信息电子国际研究中心
浙江大学国际联合学院（海宁国际校区）致力于形成学科交叉联动国际创新要素集聚的科研布局，现已联合外方合作伙伴、浙江大学各院系学科共建11个国际研究中心，形成了良好的科研生态。其中，信息电子国际研究中心由国际校区与浙江大学信息与电子工程学院合作建设，面向信息电子国际前沿领域，定位国际化、交叉型科研教学基地，与国际顶尖研究机构建有紧密合作的联盟关系，致力于打造世界一流的信息电子国际合作研究示范基地。信息电子国际研究中心入驻一年来，有效地服务了区域信息电子、生命健康和泛半导体产业，助力国际校区的国际化人才培养和科研合作。
杨怡豪，浙江大学信息与电子工程学院、国际校区信息电子国际研究中心研究员，获首届国家自然科学基金优秀青年基金（海外），入选《麻省理工科技评论》中国“35岁以下科技创新35人”。研究方向包括拓扑光子学/声学、非厄米光子学、太赫兹通信、电磁隐身等。目前已发表60余篇论文，其中以第一/通讯作者发表30余篇高水平论文，包括Nature（两篇）、Nature Photonics、Nature Physics、Nature Reviews Materials、Nature Communications（五篇）、Science Advances等。相关论文多次被Physics、Physics world、Physorg、IEEE Spectrum、科学网等科技杂志报道；三次入选PRL Editors' Suggestion；多次入选期刊封面（Nature Photonics、Laser & Photonics Reviews）。研究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）、浙江大学十大学术进展（2019）。曾获中国电子学会优秀博士论文奖（2019）。
（图文 | 杨怡豪；图文编辑、责任编辑 | 李亦楠）