深亚波长谷光学超构材料中的拓扑手性边界态- 大数跨境

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深亚波长谷光学超构材料中的拓扑手性边界态

两江科技评论

2022-09-10

导读：近日，浙江大学杨怡豪研究员、陈红胜教授课题组，基于深亚波长尺寸的谷光学超构材料，通过调控外边界势能，创新性地实现了高束缚性的拓扑手性边界态，并实验观测到体色散、边界色散以及边界态在绕过尖锐弯折角时的鲁

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撰稿|由课题组供稿

导读

近日，浙江大学杨怡豪研究员、陈红胜教授课题组，基于深亚波长尺寸的谷光学超构材料，通过调控外边界势能，创新性地实现了高束缚性的拓扑手性边界态，并实验观测到体色散、边界色散以及边界态在绕过尖锐弯折角时的鲁棒边界传输。该工作为研究谷光子晶体的新型拓扑边界态以及设计小型化鲁棒光学器件提供了新思路。论文以《Topological Chiral Edge States in Deep-Subwavelength Valley Photonic Metamaterials》为题发表在《Laser & Photonics Reviews》上（DOI: 10.1002/lpor.202200194）。博士后席瑞为第一作者，陈红胜教授、杨怡豪研究员和陈巧璐为共同通讯作者。论文作者包括阎清晖博士、张莉博士、博士生陈福家和李鹰研究员。工作得到了国家自然科学基金、国家优秀青年科学基金（海外）的资助。

研究背景

近年来，拓扑谷光子晶体作为光学的前沿新兴领域，因其在新型功能器件中的潜力，得到了广泛的关注和研究，特别是针对谷光子晶体边界态拓扑保护特性和鲁棒性的研究。然而，已有谷拓扑边界态是沿着由两个具有相反谷陈数光子晶体构成的畴壁传播的，而基于谷光子晶体外边界的手性边界态仍有一定研究难度。研究挑战在于，手性边界态在外边界传输时，尤其是当光子动量在外边界和自由空气中相近时，其能量会辐射到自由空间中，这是由于自由空间是光子的导体。为解决上述难题，可采用金属平行板或人工光子带隙材料作为包层，将光子束缚在边界上。然而包层结构会改变边界势能，从而形成新的挑战。

研究亮点

在本项工作中，研究团队采用螺旋线圈形式单元结构构造谷光学超构材料，其单元结构尺寸约为十七分之一工作波长，远小于已有的谷光子晶体，这是由于流经螺旋线圈的电流可产生垂直于线圈的强磁偶极矩，使得模式工作在深亚波长并具有高束缚性。团队通过调控光学超材料外边界的势能，也就是改变外边界线圈结构的圈数（如图1b所示），创新性地实现了在外边界传输的两类拓扑手性边界态。该拓扑手性边界态与以往的谷拓扑边界态具有相同的拓扑保护特性。如图1 a所示，拓扑手性边界态被紧紧束缚在外边界处，在没有辐射泄漏的情况下沿着边界传输。

图1. 谷光学超材料外边界处的拓扑手性边界态。a）谷光学超材料示意图。b）拓扑手性边界态的构造示意图。

作为直接实验验证，研究团队利用印刷电路板技术，设计与制备基于拓扑手性边界态的波导，测量了电磁波在波导样品上的传输特性。如图2中的实验结果显示，测量得到的磁场分布与能带色散关系清晰地验证了两类拓扑手性边界态在两个边界处的拓扑传输。此外，团队在具有尖锐折角（120度）处观测到了两类拓扑手性边界态的鲁棒传输，以及在折角处的平滑转换，且实验结果与仿真结果匹配（图3）。

图2. 两类拓扑手性边界态的实验验证。a）实验测量的磁场分布。b）实验测量的边界态能带色散关系。

图3. 两类边界态的平滑转换与鲁棒传输。a）实验样品图。b）传输频谱。c），d）仿真与实验磁场分布。

总结与展望

拓扑手性边界态是当前光学和拓扑学的前沿课题，其必将随着工艺与技术的进步激发一系列潜在的应用。本研究从理论、仿真和实验三个方面论证和实现了深亚波长谷光学超材料中的拓扑手性边界态，其不同于以往的谷边界态，能够在结构的外边界传输，并且深亚波长模式能够有效抑制自由空间的辐射泄漏。本研究不仅有助于实现小型化的光学拓扑器件，例如，拓扑延迟线、拓扑片上通讯和拓扑激光等，也为探索新奇拓扑现象提供了新的思路和方案。

论文信息

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/lpor.202200194

Rui Xi, Qiaolu Chen, Qinghui Yan, Li Zhang, Fujia Chen, Ying Li, Hongsheng Chen, and Yihao Yang. Topological Chiral Edge States in Deep-Subwavelength Valley Photonic Metamaterials. DOI:10.1002/lpor.202200194

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