近日，浙江大学杨怡豪研究员、陈红胜教授课题组，联合香港中文大学薛昊冉教授课题组，首次将谷光子晶体扩展至三维系统中，观测到结构的谷陈矢量拓扑不变量，以及可以在所有表面上存在的渠化手性谷表面态。该工作以题名“Three-Dimensional Topological Valley Photonics”发表在《Physical Review Letters》上。浙江大学博士生李文浩为论文第一作者，杨怡豪研究员、薛昊冉教授和陈红胜教授为共同通讯作者。
值得注意的是，浙江大学杨怡豪研究员课题组长期致力于新型三维拓扑绝缘体的研究，不断探索各种三维拓扑绝缘体相。近年来，在光子三维拓扑绝缘体和对称性上开展了深入研究：2019年，利用电磁波的对偶性、基于双各向异性材料首次实验实现了三维光子拓扑绝缘体（Nature 565, 622-626 (2019)）；2022年，通过引入磁场，打破结构的时间反演对称性，首次实现了三维陈拓扑绝缘体，表征了其矢量形式拓扑不变量，即陈矢量（Nature 609, 925-930 (2022)）；同年，利用具有C4对称性的结构，在保有时间反演对称性的情况下，实现了三维拓扑晶体绝缘体（Nat. Commun. 13, 3499 (2022)）；2025年，通过定义时间反演操作和半晶格平移操作，实现了具有单个表面狄拉克锥的反铁磁拓扑绝缘体（Sci. Adv. 11, eadu6230 (2025)）。
自从拓扑绝缘体和光子晶体的拓扑态在不同物理体系中被广泛研究以来，拓扑光子学（Topological Photonics）作为连接物理学、材料科学与信息技术的重要交叉前沿，已成为光波调控领域的重要发展方向。传统拓扑光子器件多依赖磁场或合成自旋轨道耦合等复杂手段实现对电磁波的非平庸调控，严重制约了其实用性和集成化发展。
谷自由度（valley degree of freedom）作为一种新型自由度，近年来被引入光子系统，催生了“谷光子学”（Valley Photonics）研究方向。通过在光子晶体中设计具有空间反演对称性破缺的结构，可在二维布里渊区角点实现贝里曲率对称反号分布，从而产生一对手性相反的拓扑谷态。基于此产生的“谷-锁定边界态”（valley-locked edge states）在多种系统中得到验证，具有较强的拓扑保护与制造容差，在微波、太赫兹等频段展现出广阔的应用潜力。
然而，现有谷光子晶体研究仍主要局限于二维体系，其结构仅支持面内传播模式，无法实现对三维空间中光波的全向调控，且难以构造真正意义上的三维拓扑保护。相比之下，三维陈光子晶体、三维Z₂拓扑光子绝缘体等体系已实现真正的体带隙与空间边界态，但仍缺乏对“谷自由度”在三维空间中构型与物理机制的系统研究。因此，亟需一种新的理论与实验平台，实现三维空间中谷自由度的拓扑构型、矢量化调控与边界态激发，从而填补三维拓扑谷光子学的研究空白。
研究团队从金刚石晶体结构出发，通过引入次近邻耦合，设计金属结构如图1（a）所示。通过调节单元中两个金属球的大小来打破结构的空间反演对称性，构造具有三维完全带隙（图1（b））的结构。通过第一性原理分别计算三维布里渊区三对高对称点，即谷（图1（c））上的贝里曲率，发现其在三维动量空间中的矢量分布特性，即每一对谷上的贝里曲率只在特定k空间平面上非零（图1（e））。此外，通过仿真谷特征态的面外磁场（Hz）的相位以及坡印廷矢量的方向，可以表征其手性涡旋特征。
图1. 具有矢量贝里曲率的三维谷光子晶体。（a）单元结构示意图；（b）空间反演对称性破缺前后三维能带结构；（c）三维布里渊区以及三对谷示意图；（d）第一能带Wz±点特征态；（e）Wz±点在各个平面贝里曲率分布。
由于所设计的三维谷光子晶体为自支撑结构，因此可通过增材制造技术直接加工制作，这里团队采用AlSi10Mg材料，其在微波频率下可被视为完美电导体。接下来，团队利用特征态的手性特征，设计了矢量手性源阵列（图2（a）），可以通过控制每个源之间的相位差，实现在特定平面上的手性分布。因而可以通过源阵列与特征态的手性匹配，选择性激发并观测自由空间耦合方向（图2（b））。实验设置如图2（c）所示，分别观测φ = 90°平面上的近场分布（图2（d）），以及θ = −32.9°、θ = 0°和θ = +32.9°平面上的远场波束（图2（e））。观测到出射场方向与计算吻合，且波束在两个垂直平面上均具有窄辐射模式特性，这得益于结构的三维动量约束特性。
图2. 矢量谷态的选择性激发。（a）矢量手性源阵列设置；（b）出射场动量空间分析；（c）实验设置；（d）近场电场测量结果；（e）出射远场波束测量结果。
随后，研究团队对拓扑手性谷表面态进行了实验测量，实验设置如图3（a-b）所示。通过将源放置在表面一边的中心激发表面态，测量得到沿直线传输的表面态场分布（图3（g）），说明该表面态具有渠化（Canalization）效应。进一步地，对场分布进行二维空域傅里叶变换后，得到了频率色散特性（图3（h））以及等频线（图3（i）），均与仿真结果吻合。
图3. 渠化手性谷表面态。（a-b）实验设置；（b）投影布里渊区及表面态；（c）表面态色散；（e）表面态衰减特性；（f）表面态传输率测量结果；（g）表面态分布；（h）表面态色散测量结果；（i）表面态等频线测量结果。
最后，研究团队讲表面态传输方向与所设计结构的矢量形式拓扑不变量——谷陈矢量的方向联系起来，提出了右手准则，也即右手大拇指表示谷的谷陈矢量方向，剩余四指蜷曲方向即为该谷处表面态传输方向（图4（a））。通过对比所测量的经过直角拐弯前后的场分布（图4（b））以及传输率（图4（c）），可以发现，谷手性表面态对于尖锐拐角的鲁棒性。对比拐弯前后场的傅里叶场分布，可以验证其动量守恒特性（图4（d））。
图4. 手性谷表面态和谷陈矢量的右手定则。（a）手性谷表面态和谷陈矢量的方向示意图。（b-c）拐角前后表面态分布以及传输率对比。（d）表面态的等频线测量结果。
该工作提出并实验证实了三维拓扑谷光子学的全新体系，突破了谷光子学仅限于二维平台的局限，首次实现了三维空间中谷态的矢量化调控与选择性性激发。依托谷陈矢量的特性，结构验证了手性表面态的鲁棒传输，并提出了表征三维谷表面态的右手定则，展现出优异的拓扑稳定性与波束控制能力。该方案不仅为窄波束天线、表面导波器件等提供了新机制，还具备良好的扩展性，可推广至太赫兹和光学频段，与全介质三维光子晶体平台相结合，有望推动新一代三维集成拓扑光子器件的发展。
致谢：浙江大学陈巧璐博士、浙江大学博士后韩凝（现为中国计量大学特聘副研究员，硕士生导师）等国内外学者也为该工作做出了贡献。该工作得到了中国国家自然科学基金（NNSFC）、优秀青年基金（海外）、国家重点研发计划等资助完成。
论文信息：
Three-Dimensional Topological Valley Photonics, Phys. Rev. Lett.135, 126601 (2025)
论文链接：
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/kmsq-llfk
撰稿|课题组
