光沿直线传播，这是我们的常识，科学家却有办法让光拐弯，发生许多有趣的现象，譬如隐身衣。2019年1月9日，浙江大学和新加坡南洋理工大学的科学家合作构建出世界上首个三维光学拓扑绝缘体。

浙江大学陈红胜团队曾在2013年制造出一种可见光波段的隐形器件，让金鱼、猫等动物在人眼前遁形。如果能让光像流水一样，在物体表面不发生散射，没有散射光的情况下，人眼就识别不出物体了。

图：一条金鱼在可见光波段的隐形装置中进出

图：表面波遇到缺陷、杂质、或者波导拐弯等，会产生不可避免地散射

在很多器件中，电磁波必须绕着弯走。在目前的技术体系中，一旦转弯幅度大，电磁波就会发生散射，影响传输效率。转弯幅度小，就不利于节省空间。光在急转弯的时候，也不发生散射，这是实现未来光子芯片的一项巨大的挑战。

拓扑绝缘体

拓扑绝缘体是一种表面导电，内部绝缘体的材料，它能让电子绕着材料表面传输，而在材料内部却“禁止通行”。著名科学家张首晟在向公众介绍拓扑绝缘体时，曾以“高速公路”作比喻：电子在芯片里的运动，就像一辆辆跑车在集市里行驶，不断地碰撞，产生热量。笔记本电脑放在腿上，时间一长就感觉很烫。正是电子碰撞产生的热量，导致摩尔定律将失效。而拓扑绝缘体好似为电子建立了高速公路，让电子在一条条“单向车道”上运行。

电子的“高速公路”，光子能跑吗？2005年，普林斯顿大学的邓肯·霍尔丹（2016年诺贝尔物理学奖得主）进行了一项思想实验，试图将拓扑绝缘体的理论拓展到光学体系。这一大胆的想法在科学界引起质疑与争议，论文直到2008年才发表在PRL上，光学拓扑绝缘体的理论正式问世。2009年，MIT 物理系Marin Soljačić教授研究组Zhen Wang和Yidong Chong在Nature发表文章，首次通过实验实现了二维光学拓扑绝缘体，开启了光学拓扑绝缘体的实验研究。

当前，关于光学拓扑绝缘体的实验研究仍局限在二维材料。2017年，纽约城市大学的Alexander B. Khanikaev教授团队提出了无磁性材料的三维光学拓扑绝缘体的设计理论。“我们关注到了这项工作，但其参数十分苛刻。”杨怡豪说，在浙江大学和新加坡南洋理工大学，联合课题组开始尝试搭建新型的实验体系。这是科学界第一次尝试用实验实现光学三维拓扑绝缘体。有望解决电子芯片的发热、光子芯片的信号耗散等一系列问题。

从电子体系到光子体系，从二维到三维，研究对象存在许多本质区别，实验遇到了前所未有的困难。一开始，他们甚至没有现成的实验设备进行测量。

杨怡豪巧妙地提出设计了一种由多个开口谐振器构成的单元结构。“这是‘高速公路’的路基，也是实验成功的关键。”陈红胜说。最终，联合课题组首次实现了三维光学拓扑绝缘体，它具有宽频带拓扑能隙，可以用印刷电路板技术制作完成。

三维世界光子的“高速公路”，是“Z”字形的。表面波在界面传播时，能够无障碍的绕过Z型拐角。“通过对材料内部及表面电磁场分布成像，我们观测到了该材料的三维能隙，以及具有二维狄拉克锥形式的表面态——这些正是三维光学拓扑绝缘体的关键特征。”杨怡豪说。

图：表面波无障碍绕过Z型拐角

“对表面波来说，这些拐角就像被隐形一样，而能够绕过拐角实现高效地传播，这正是受益于三维光学拓扑绝缘体的拓扑保护特性。”陈红胜说。这便是“光子高速公路”的神奇之处。“在这条高速公路上，无论道路多么曲折，光子都能一往无前。”杨怡豪说。“这就能避免光发生散射导致信息耗散的问题。”

“我们的工作首次赋予了三维光子带隙以拓扑性质，也就是说，将来可以像三维拓扑绝缘体控制电子一样用三维拓扑光子晶体来控制光子。”Baile Zhang教授说。 

陈红胜认为，这项研究首次将三维拓扑绝缘体从费米子体系扩展到了玻色子体系，并可能应用于三维拓扑光学集成电路、拓扑波导、光学延迟线、拓扑激光器以及其他表面电磁波的调控器件等。

这或许是人类向光子芯片、光子计算机迈出的一步。未来，在微小的光子芯片里，光携带着信息在纵横交错的高速公路上奔跑，为我们创造着更快更好的世界。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-018-0829-0

来源：高分子科学前沿

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