撰稿|由课题组供稿
近日，华南理工大学物理与光电学院李志远教授和博士生陈剑锋在交叉磁化的蜂窝晶格磁光光子晶体中测量了反手性单向边界态的存在，并设计实现了同时具有高传输效率、分束比可调、抗背向散射、抗能量串扰和免疫金属障碍物等特性的拓扑分束。研究成果以“Configurable topological beam splitting via antichiral gyromagnetic photonic crystal”为题发表于《光电科学》（Opto-Electronic Science）。
2016年诺贝尔物理学奖获得者F. D. M. Haldane及其合作者在2008年通过类比电子系统中的量子霍尔效应 [Phys. Rev. Lett. 100, 013904 (2008)]，理论上提出光子在时间反演对称性破缺的二维蜂窝晶格磁光光子晶体中的传输可以表现出与量子霍尔效应中的电子输运相似的行为，即在两个平行边界上可以实现沿相反方向传输的手性单向边界态，这一理论预测很快就在均匀磁化的磁光光子晶体中得到了实验证实 [Nature 461, 772-775 (2009); Appl. Phys. Lett. 97, 041112 (2010); Phys. Rev. Lett. 106, 093903 (2011)]。
华南理工大学李志远教授和博士生陈剑锋依据前期理论基础[Phys. Rev. B 101, 214102 (2020)]，在实验中测量了反手性单向边界态，并实现了分束比可调的紧凑型双边四通道拓扑分束。首先，他们构建了一个沿x和y方向分别具有锯齿型以及扶手型边界的矩形蜂窝晶格磁光光子晶体结构，通过对两个相互嵌套的三角子晶格A和B施加相反磁场，在实验中观察到了反手性单向边界态的存在，演示了反手性边界态的单向传输特性并验证了其传输鲁棒性。进一步，他们通过投影能带、场传输以及透射谱，发现只有锯齿型边界支持反手性单向边界态的存在，而扶手型边界上不支持任何边界态。最后，他们利用反手性单向边界态的独特性，通过组合两个被施加相反磁场的矩形反手性磁光光子晶体，设计实现了紧凑型的双边四通道拓扑分束，并分别从理论和实验上展示了这种拓扑分束同时具有高传输效率、分束比可调、抗背向散射、抗能量串扰和免疫金属障碍物等特性。
图1 反手性磁光光子晶体的实现。（a）反手性磁光光子晶体。（b）蜂窝晶格的第一布里渊区。（c）非磁化磁光光子晶体。（d）均匀磁化磁光光子晶体。（e）交叉磁化磁光光子晶体。
图2 紧凑型双边四通道拓扑分束。（a）实验样品。蓝色虚线表示两块反手性磁光光子晶体的边界。（b，c）仿真计算结果：（b）无金属障碍物；（c）存在金属障碍物。（d‑k）实验测量结果：（d‑g）无金属障碍物，（h‑k）存在金属障碍物。
工作不仅对拓扑光子学基础物理的基本理解具有重要意义，而且还对设计新型拓扑光子器件提供了有用见解和思路，可用于构建紧凑型多通道单向波导和拓扑分束器等关键性非互易光子器件。
论文通讯作者为华南理工大学物理与光电学院李志远教授，第一作者为2019级博士研究生陈剑锋。该研究工作得到了广东省引进创新创业团队项目、国家基金委项目、科技部重点研发项目课题等的资助，还得到了EurekAlert、AlphaGalileo、Physics、AZoOptics等著名学术新闻发布平台的相继报道。
文章链接：
https://www.oejournal.org/article/doi/10.29026/oes.2022.220001
Jianfeng Chen and Zhi-Yuan Li*, Configurable topological beam splitting via antichiral gyromagnetic photonic crystal, Opto-Electronic Science 1(5): 220001 (2022).
研究团队简介
由华南理工大学国家杰青、世界高被引科学家李志远教授领衔的“人工光、声微结构实验室”研究团队目前有教授5位，副教授4位，硕士、博士研究生和博士后研究人员42位。团队主要从事微纳光子学及其与非线性光学、激光技术、光物理、量子物理交叉，以及光子/声子晶体及光学/声学超材料与拓扑物理交叉等国际前沿及国家需求重要领域的理论、实验和应用研究。团队多篇论文入选ESI热点论文及高被引论文，先后承担广东省引进创新创业团队重大项目，科技部重点研发项目课题，国家基金委重点、面上和青年项目，广东省重点研发项目及广东省杰青项目等近20项。
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