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7月，我校光学工程研究团队与南方科技大学等单位合作，成功实现了具有任意陈矢量的三维光学陈绝缘体，并实验观测到一系列新颖特征。相关成果以“Photonic arbitrary Chern vectors”为题在Science Advances上发表。我校电信工程与智能化金博宝app官网王红成教授团队成员郗翔博士为论文第一作者，孟岩副研究员以及王红成教授为合作作者，金贝棋牌为第一完成单位。这一成果打破了此前三维陈绝缘体仅能实现单一非零分量陈矢量的限制，成功构建了完整的拓扑陈矢量理论框架，为开发新型全表面非互易光子器件开辟了全新道路。

在拓扑物理学的发展中，二维陈绝缘体(Chern Insulators)占有举足轻重的地位。基于 Haldane 模型等理论构建的二维陈绝缘体，其边界上存在着一种独特的手性边缘态(Chiral Edge States)。这种边缘态如同为波的传输铺设了一条“单行道”，具有天然的单向传输与免疫背向散射特性——这意味着波在向前传播时，即使遭遇缺陷、杂质或急剧的弯角，也绝不会向后反射，而是能够完美地绕过障碍物继续前行。近年来，这一根植于凝聚态电子体系的宏观拓扑概念与经典波平台的成功融合，不仅在宏观尺度上实现了拓扑物态的可视化观测，更为新型高鲁棒性光子器件的研发带来了颠覆性的革命。

图1：仅具有单个非零陈数分量的三维光学陈绝缘体和具有多个非零陈数分量的三维光学陈绝缘体

图源：Science Advances

随着研究的深入，二维陈绝缘体被成功拓展至三维体系，其拓扑不变量也由二维的标量陈数(Chern number)演变为三维的拓扑陈矢量(Chern vector)。然而，在此前的研究中，三维光学陈绝缘体一直被局限在最简单的形式——仅包含单个非零陈数分量的陈矢量，例如 C = (0, 0, 1)。这种局限性导致了如图1A所示的三个问题：1. 手性表面态仅能存在于平行于陈矢量的四个侧面上，无法覆盖全表面；2. 表面态仅在平行于陈矢量的方向上为非手性传输，一旦遭遇缺陷易产生严重的散射损耗；3. 诸如环面纽结（Torus knot）或环链（Link）等奇特表面态，只能在两个具有相互垂直陈矢量的三维陈绝缘体界面处产生，无法在单晶表面独立实现。

为了克服这些瓶颈，研究者在理论上提出并实验实现具有多个非零陈数分量的三维光学陈绝缘体，如图1B所示。与以往的三维光学陈绝缘体相比，我们的C= (1, 1, -1)相支持全表面手性表面态，并具有沿任意方向延伸的、真正鲁棒的手性传输，如图1B所示。此外，我们展示了非互易且无反射的拓扑负折射或正折射会发生在不同的铰链处，从而绕着晶体拐角或跨越整个晶体形成闭合回路。通过采用超胞调制，我们提出了一种通用的策略来设计具有任意陈矢量，例如C= (2, 3, -6)的三维光学陈绝缘体，其特征是包含多个任意大的陈数且沿任意方向取向。这导致了多模手性表面态传输，并在单一晶体表面（而非两个具有相互垂直陈矢量的三维光子陈绝缘体界面处）诱导出了新颖的环面纽结或环链表面态。

论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aef3784

（图文：郗翔；一审：孟岩；二审：刘晔、詹春燕；三审：王红成、李长平）