热辐射的空间与光谱调控对于实现热辐射的有效利用和热管理具有重要的意义。传统材料的热辐射由于宽带、非相干和不具有方向性的特性，难以实现灵活调控以满足在热光伏、热成像、红外传感等领域的应用。近年来，随着纳米光子学的发展，诸如超表面、光子晶体、表面等离子体光栅、多层膜结构等的亚波长尺度的人工纳米结构被广泛运用于热辐射调控。Tamm等离子体激元（Tamm plasmon polaritons, TPPs）是由金属反射镜和布拉格反射器构成的一种一维多层膜光吸收器，由于其共振波长可调、相对较高的吸收峰的品质因子并且易于大规模制造等优点，成为一种常见的选择性窄带热发射器。
论文采用由金属钨薄膜和分布式布拉格反射镜（distributed Bragg reflector, DBR）组成的Tamm等离子体结构。在钨薄膜为临界厚度时，可以实现完美吸收。根据反射光谱曲线的卷绕数，可以将TPPs分为平庸和非平庸的反射表面。通过构建阶梯状TPPs结构，在卷绕数发生跃变的界面处验证了拓扑Tamm边界态（topological Tamm edge states, TTESs）的存在。
相关研究成果以“Topological Tamm edge states”为题，于2025年6月3日在线发表于期刊《Optics Letters》上。论文第一作者为江南大学理学院22级本科生代楚鑫，通讯作者为王跃科副教授。
2.1 TPPs结构设计
图1(a)展示了所提出的TPPs结构，该结构由金属薄膜、间隔层和DBR组成。考虑到热稳定性和耐火性，选用钨薄膜作为发射层，其厚度t = 8.42 nm。DBR采用硅(Si)和二氧化硅(SiO₂)交替堆叠，折射率分别为3.43和1.63，DBR周期数为4。Si和SiO₂的厚度分别为291.6 nm和613.5 nm，其光学厚度（折射率与几何厚度的乘积）为目标波长4 μm的四分之一。间隔层选用Si材料，厚度s = 180 nm。图1(b)中红线和蓝线分别表示DBR在正入射下的反射谱(RDBR)和透射谱(TDBR)，其在3.3-5 μm波长范围内存在光子带隙。TPPs结构的吸收谱(ATPP)以黑线显示，在4.14 μm处出现吸收率为1的峰值。图1(c)展示了完美吸收时的电场分布，白线表示沿z方向的电场分布|E|²。
图1 (a)TPPs结构由钨薄膜、间隔层和DBR组成；(b)DBR的反射谱(红线)和透射谱(蓝线)。黑线为吸收谱，在4.14 μm处出现完美吸收共振峰；(c)完美吸收时TPPs的电场分布，黑色虚线框区域为下方放大显示的部分。
2.2 反射表面的拓扑分类
辐射损耗和本征损耗为结构所决定，在调节钨薄膜厚度后可以观察到两者匹配关系的演变。如图2(a)所示，当钨薄膜的厚度为关键厚度tc = 8.42 nm时，在共振波长处出现完美吸收，当调谐钨薄膜的厚度t > tc或t < tc时，由于辐射损耗和本征损耗不相等，共振位置处不能实现完美吸收。当观察反射系数的相位时，如图2(b)所示，谱参数空间的相位涡旋的非零拓扑荷实现了在光谱相位奇点处的完美吸收。这个相位奇点存在于t = tc，本征损耗和辐射损耗精确匹配时。当调谐金属钨厚度t = 14 nm (大于tc) 时，本征损耗大于辐射损耗，TPP处于过阻尼状态，在一维反射相位图中，如图2(c)，相位被限制在-π附近，而当厚度t = 5 nm (小于tc) 时，本征损耗小于辐射损耗时，TPP处于欠阻尼的状态，反射系数的相位在谐振频率附近出现了-π向π的转变，这种转变造成了2π的相位累积，其是Berry相位的非厄米特推广。反射相位复杂的行为可以通过反射系数的复平面光谱清晰地理解。如图2(d)所示，反射谱曲线是否包含原点定义了TPP表面的不同的反射拓扑，这引出了体系的拓扑不变量，即卷绕数。卷绕数定义如下，
当TPPs处于过阻尼状态时（t = 14 nm），其反射系数在复平面上形成不包含原点的小圆环，相位累积为零，卷绕数为0，对应平庸反射表面；当TPPs处于欠阻尼状态时（t = 5 nm），反射光谱曲线环绕原点，呈现2π相位累积且卷绕数为1，对应非平庸反射表面。
图2 (a) 波长与钨膜厚度合成参数空间中的吸收特性；(b) 波长与钨膜厚度合成参数空间中反射系数的相位分布；(c) 反射相位谱及(d) 复平面上平庸(红色曲线，w = 0，t = 14 nm)、非平庸(蓝色曲线，w = 1，t = 5 nm)和临界(黑色曲线，t = 8.42 nm)反射表面的反射光谱曲线。
2.3 边界态存在的验证
拓扑平庸与非平庸反射表面的界面可支持TTESs的存在。如图3(a)所示，通过组合两种不同钨膜厚度（t1和t2）的TPPs结构构建阶梯状结构。当t1< tc（t2 > tc）时，TPPs结构分别表现为非平庸（平庸）反射表面，二者卷绕数差保证了拓扑Tamm边界态的形成。采用波长为4.2 µm的x偏振平面波垂直入射（几何参数与图1相同）。如图3(b)所示，当t1 = 5 nm（w = 1）与t2 = 14 nm（w = 0）组合时，电场强度显著高于两侧区域，TTESs的存在。而图3(c-d)中，当t1 = 10 nm（w = 0）与t2 = 20 nm（w = 0），或t1 = 3 nm（w = 1）与t2 = 4 nm（w = 1）组合时，由于卷绕数未发生改变，界面处无电场增强现象，未出现TTESs。由此可见，TTESs仅存在于具有卷绕数跃迁的界面处。
图3 (a) 由两种不同钨膜厚度TPPs结构组成的阶梯结构。当厚度为(b) t1 = 5 nm与t2 = 14 nm；(c) t1 = 10 nm与t2 = 20 nm；(d) t1 = 3 nm与t2 = 4 nm时的金属表面的电场分布。白色虚线标明了提取一维电场分布的位置，插图为y-z平面电场分布。
2.4 边界态支持手性波导的验证
在阶梯结构中心正上方放置一个波长为4.2 µm的电偶极子源，选取t1 = 1 nm（w = 1）和t2 = 30 nm（w = 0），其余几何参数与图1保持一致。如图4(a-b)所示，在x偏振和y偏振光入射下，界面处观察到电场增强现象，TPPs的拓扑边界态被激发并沿界面双向传播。图4(c-d)显示，在左旋和右旋圆偏振光（left and right circularly polarized, LCP and RCP）入射时，界面电场同样呈现增强，且TPP拓扑边界态分别沿x轴正方向（左旋）和负方向（右旋）单向传播，验证了自旋-动量锁定的TTESs。
图4 在(a) x偏振光入射，(b) y偏振光入射，(c) 左旋圆偏振光(LCP)入射，(d) 右旋圆偏振光(RCP)入射时具有卷绕数跃变的阶梯结构金属表面的电场分布。
总之，本文通过阶梯结构实现了TPPs的拓扑保护的局域边界态，为空间热辐射调控提供了新方法。通过精确调控钨膜厚度，可以控制本征损耗与辐射损耗的匹配关系。TPPs结构的拓扑不变量由反射光谱曲线的卷绕数定义，有限元模拟仿真证实TTESs存在于具有卷绕数跃迁的界面处。该边界态具有自旋-动量锁定特性，其传播方向可通过光源手性进行调控。本研究提出的拓扑Tamm边界态为Tamm等离子体激元的热辐射空间调控开辟了新的设计思路。
文章链接：
https://doi.org/10.1364/OL.565242
