撰稿|由课题组供稿
近日，国防科技大学前沿交叉学科学院的杨镖副研究员、朱志宏教授，与湖南大学物理与微电子科学学院的郭清华教授和香港科技大学的陈子亭教授团队合作提出了标量拓扑光子晶体概念，并发现了新的表面波模式，为拓扑光学的发展开拓了新的研究思路。相关研究成果以“Scalar topological photonic nested meta-crystals and skyrmion surface states in the light cone continuum”为题，于2023年6月22日发表于期刊Nature Materials上，同时被 NatureMaterials Research Briefing报导。
该研究提出了一种标量方案来设计三维光子晶体，其具有标量波的体色散关系，但表面态却体现出电磁波的矢量本质，如斯格明子（skyrmions）分布等。这种方法克服了三维拓扑光子晶体设计面临的诸多挑战，比如复杂的体色散关系和光锥内部的泄漏表面波模式等。基于标量光子晶体，可以直接通过对称性分析，设计多种理想的光学拓扑态，进一步推动三维拓扑光子学的发展。
标量光子晶体的方案可以实现三维面心立方光子晶体中的基本带隙，这是30多年前由标量波方法预测得到1，但是电磁波矢量本质所不允许的2,3。
概念图：三维标量光子晶体的构建
该研究指出，这些问题可以通过构建具有嵌套结构的标量光子晶体来解决，该晶体结构在几何上等同于同轴波导（见下图a），将选定空间群的高对称性点连接在一起。标量光子晶体的体能带结构类似于标量波系统，如声子晶体。然而，其表面态保留了矢量波属性，并支持Skyrmion场分布，使它们在光锥中具有高Q值，这意味着它们几乎不会辐射。该研究使得在整个光锥中存在拓扑表面态成为可能。
研究团队利用三维打印技术构建了这种嵌套的标量光子晶体，并在5 GHz左右的光锥内观察到该拓扑表面态（见下图b），这在传统光子晶体中是很难实现的，实验证明了该方案的可行性。对于Skyrmion表面波模式，每个表面态能带整体具有高Q值（而不仅仅是像BICs这样的孤立点）。这些发现为光学拓扑态的研究提供了重要的见解，并对拓扑光子器件的设计和优化具有重要意义。
图1：（a）嵌套结构构建标量三维光子晶体；（b）光锥中的拓扑表面态模式。（图片来源：https://doi.org/10.1038/s41563-023-01588-z）
研究提出的标量光子晶体依赖于金属波导的高导电性，可以直接扩展到太赫兹频率。在光学频率下，金属会有高损耗。然而，这个问题可以通过使用全介质同轴波导来避免。这种波导以前曾被提出用于探究单模的应用4，其特性与传统金属同轴波导的独特横电磁模式一样。
该研究简化了光子晶体能带设计方法，为通过以标量方式操纵电磁波的传输提供了极大的灵活性。研究团队将进一步研究标量光子晶体的其他标量-矢量兼顾属性，以更好地了解它们的行为和潜在的应用，如其他对称保护拓扑相等。
正文链接：
https://www.nature.com/articles/s41563-023-01587-0
研究简报连接：
https://doi.org/10.1038/s41563-023-01588-z
参考文献：
1.Satpathy, S., Zhang, Z. & Salehpour, M. R. Theory of photon bands in three-dimensional periodic dielectric structures. Physical Review Letters 64, 1239-1242, doi:10.1103/PhysRevLett.64.1239 (1990).
2. Ho, K. M., Chan, C. T. & Soukoulis, C. M. Existence of a photonic gap in periodic dielectric structures. Physical Review Letters 65, 3152-3155, doi:10.1103/PhysRevLett.65.3152 (1990).
3.Watanabe, H. & Lu, L. Space Group Theory of Photonic Bands. Physical Review Letters 121, 263903, doi:10.1103/PhysRevLett.121.263903 (2018).
4.Ibanescu, M., Fink, Y., Fan, S., Thomas, E. L. & Joannopoulos, J. D. An All-Dielectric Coaxial Waveguide. Science 289, 415, doi:10.1126/science.289.5478.415 (2000).
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