Physical Review Letters: 拓扑光子合金

近日，山西大学陈君教授、张磊教授联合香港科技大学陈子亭教授课题组理论提出并实验证实了一种新型的无序拓扑光子系统——拓扑光子合金。该系统通过在非周期性二维光子晶体构型中随机混合非磁化柱和磁化柱实现。理论和实验结果表明，即使在磁化柱浓度很低的情况下，光子合金也能产生具有拓扑保护的手性边缘态。该工作为深入研究无序系统的拓扑性质提供了一个新的平台，为更有效的制造拓扑光子系统提供了新方法。相关成果以“Topological photonic alloy”为题发表于物理学领域顶级期刊《Physical Review Letters》。论文同时作为Editors’ Suggestion和Featured in Physics在Physical Review Letters网站重点推荐。Physics杂志邀请Physical Review Letters 副主编Martin Rodriguez-Vega以《Recipe for a One-Way Waveguide》为题对以上工作进行了专题亮点报道。

山西大学陈君教授、张磊教授与香港科技大学陈子亭教授为论文的共同通讯作者。山西大学博士生渠天涛和香港科技大学博士后王暮迪为论文的共同第一作者。香港科技大学张昭庆教授，研究助理教授张若阳、博士后崔晓晗、山西大学激光光谱研究所博士生成晓宇共同参与指导了该研究。该工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金面上项目、香港研究资助局、裘槎基金会、山西省优秀青年科学基金项目、山西省“1331”工程等项目的资助。

拓扑材料已经成为物理学众多领域的重要研究课题之一。利用不同的拓扑不变量，可以定义各种拓扑材料。根据体边对应原理，非平庸的体拓扑不变量通常对应着开放边界下拓扑边缘态的出现，这些拓扑边缘态对局部扰动具有鲁棒性。拓扑材料最初在凝聚态物质系统中被发现，随后人们也在光学、声学等平台上对其进行研究。进一步研究发现，拓扑性质并非只出现在周期晶体结构中。光学系统是实现非周期拓扑材料的理想平台之一，光子拓扑准晶、光子拓扑Anderson绝缘体和光子拓扑非晶材料已经得到实现。

对于传统的拓扑绝缘体，当无序强度足够大时会破坏系统的拓扑性质，但有时无序也可以引发非平庸的拓扑相，例如无序引起的拓扑Anderson绝缘体。在材料科学领域，合金是一种众所周知的无序系统。它是由不同化学元素无序混合构成的非周期性材料，可以产生与其各自成分不同的独特性质。然而，具有拓扑特性的光子系统中的“合金”概念尚未被探索。