光子晶体阵列中的集体拓扑角态及其与二维材料的相互作用

撰稿|由课题组供稿

近日，国防科技大学文理学院杨俊波课题组提出了一种基于光子晶体阵列结构实现的集体高阶拓扑角态。受益于超晶格中的光学耦合效应，这种集体拓扑角态扩展到整个平板阵列区域并能够有效地被远场激发，为实现大面积的拓扑光子器件提供了一种可行方案。此外，文章还探究了二维材料与阵列之间丰富的相互作用，论证了此结构能够成为实现可调拓扑极化激元的理想平台。

拓扑绝缘体最初被发现于凝聚态物理，而目前已经被引入到光学、声学等多种学科之中，例如光学拓扑绝缘体能够支持具有鲁棒性的边界态且能用于光信息的传输。最近，高阶拓扑绝缘体引起了广泛的关注，其所支持的低维拓扑角态具有高度局域的特性，使其能够作为具有高品质因子的光学微腔，实现多种微腔功能。另一方面，以超表面为代表的平面光子器件在近年来蓬勃发展，其能够在更广的尺度上囚禁光子以增强光与物质的相互作用，从而助力实现多种新颖功能和应用。

有鉴于此，作者在理论上提出了一种基于光子晶体平板超晶格阵列的类超表面结构，如图1所示。在此结构中，每个超晶格可被视为一个高阶拓扑绝缘体，其拓扑特性可由二维Su-Schrieffer-Heeger模型描述。发生在超晶格之间与内部的光学耦合效应不仅使多极拓扑角态扩展到整个阵列范围，还使其简并性被打破，如图2(a-b)所示。其中，偶极拓扑角态能够被远场有效地激发，且其品质因子呈现出随阵列规模增加的集体共振响应特征，如图2(c-d)所示。

图1 基于光子晶体平板超晶格的类超表面结构示意图。

进一步地，将六方氮化硼覆盖于此阵列之上可以实现拓扑角态与声子之间的强耦合效应，产生拓扑局域的声子极化激元，如图2(e)所示。而利用石墨烯费米能级的可调节性，则能够实现对拓扑角态频率的主动控制，如图2(f)所示。最后，如图2(g)所示，作者论证了基于此两种二维材料的协调配合，可以实现对拓扑极化激元的动态调节。此工作提出了一种开展拓扑光子学研究的理想平台，并有望助力实现主动式拓扑器件和拓扑极化激元器件。

图2 (a-b) 光学耦合打破多极拓扑角态的简并性；(c) 偶极拓扑角态的光谱特征与磁场分布；(d) 偶极拓扑角态品质因子随阵列规模增加；(e) 六方氮化硼中声子与拓扑角态的强耦合现象；(f) 石墨烯费米能级对拓扑角态的调节；(g) 石墨烯助力动态调节拓扑声子极化激元。

该研究成果以“Topological multipolar corner state in supercell metasurface and its interplay with two-dimensional materials”为题发表在光学权威期刊Photonics Research上。国防科技大学文理学院博士生张兆健为文章的第一作者，国防科技大学文理学院杨俊波研究员为文章的通讯作者。

文章链接：

https://doi.org/10.1364/PRJ.443025