撰稿 | 课题组
光子在边缘态中不受阻挡的无耗传输是光子拓扑绝缘体类比于电子体系的颠覆性特征之一。对于该现象的理解主要构建在能带理论基础之上，使得对光子拓扑保护的研究往往与晶体能带结构密切关联在一起。
近日，电子科技大学周佩珩、邓龙江教授和新加坡南洋理工大学Yidong Chong、张柏乐教授团队合作，在拓扑光子学领域取得重大突破：首次在无能带的非晶态光子体系中实验观测到了拓扑绝缘相的存在，验证了短程有序对光子拓扑保护的支持，使拓扑绝缘体不再局限于长程有序的晶体结构。此外，在从晶态到非晶玻璃态到液态的类固液相变过程中，揭示了玻璃相变这一物理现象与拓扑性的相互作用，明确了拓扑隙的闭合节点。
该成果不仅拓展了光子拓扑材料的研究领域，还可以类比到凝聚态物质波以及声波、机械波等波动系统，为在更加宽泛的材料世界内寻找拓扑绝缘体提供了技术支撑。
近年来，拓扑的概念不仅在凝聚态领域掀起巨大变革，带来了拓扑绝缘体、半金属等全新的物质分类，也深刻影响着光学、声学、机械等基础物理研究领域。在光学体系中，光子拓扑绝缘体作为电子拓扑绝缘体的类比获得了广泛的关注，其边缘态因受到拓扑保护而具有前所未有的传播特性，例如对缺陷免疫的高鲁棒性等，有望应用于单向光子传输和拓扑激光等前沿领域。在以上拓扑体系中，不论是基于凝聚态还是光学，往往需要从周期阵列的能带结构来推演拓扑特性。能带计算成为了物质拓扑分类的必要步骤。
另一方面，不具备周期点阵结构的光子非晶体广泛存在于自然中，例如玻璃、非晶态高聚物和凝胶等。这些非晶体系的特性由其组成原子/分子的短程关联性来决定，因为缺乏长程有序而不适用于能带理论。如果能够在非晶体系中形成拓扑保护，必然能够拓展拓扑材料体系的种类、丰富其物理内涵。
为了类比自然非晶体，采用凝聚态领域较为成熟的分子动力学算法构造类玻璃非晶态和类液态的光子阵列体系（图1(a-b)），使得所得结论能够从人工光子体系类比到自然光子材料，并进一步推广到凝聚态电子体系及其它物理系统。
光子体系中，有序和无序、长程和短程之间的竞争借助于凝聚态中分布相关性的变化（图1(c)）来进行定量描述，类比了晶态（同时具备长程有序和短程有序）-非晶玻璃态（短程有序）-液态（高度无序）这一典型相变过程，实现了具有现实物理意义的广义上的类固液相变。在类固液相变过程中，系统观测到支持拓扑保护边缘态的拓扑隙逐渐闭合，并最终消失在非晶态-液态的关键转变节点——玻璃相变之后（图1(d)），揭示了拓扑保护性和玻璃相变间的关系，也进一步验证了短程有序对拓扑保护的支撑作用。
图1 光子体系从晶态到非晶玻璃态到液态的类固液相变过程，包括几何结构(a-b)、分布相关性(c)以及拓扑隙(d)的演变（橘黄色区域）
基于Chern拓扑绝缘体的设计方法，采用YIG旋磁铁氧体和金属平板波导结构（图2）在微波频段实现了手性边缘态在光子非晶拓扑绝缘体中的实验观测。为了解决波导构件移动引起的漏波问题，在波导平板上设计了探测孔阵列，方便源极和接收极天线的移动。通过对TM模式电磁波的激励和波导全域扫描，直接观测到拓扑保护边缘态的存在和演变。
由于外加磁场打破了体系的时间反演对称性，手性边缘态在晶态和非晶态都保持顺时针单向传播，并且体现了良好的鲁棒性——连续经过两个90°弯角也不会产生额外散射；当光子体系经玻璃相变形成类液态，边缘态消失，激励的TM波在体内任意传播，与理论高度一致。
图2 拓扑保护手性边缘态的实验测试及其在类固液相变过程中的演变
非晶拓扑绝缘体由短程有序构建拓扑保护，是一种在自然界广泛存在、摆脱了晶体平移对称性限制的拓扑材料，在一定程度上降低了拓扑绝缘体对材料或者设计加工难度的挑战，为寻找性能优良的拓扑材料提供了新的思路；另一方面，基于旋磁铁氧体的光子拓扑结构形式简单、易于测试，为深入研究拓扑与无序/有序间的关系提供了良好的实验验证平台，并且有望应用于单向传输、逻辑电路等方向。
该研究成果以” Photonic amorphous topological insulator”为题在线发表在Light: Science & Applications。
作者为PeihengZhou, Gui-Geng Liu, Xin Ren, Yihao Yang, Haoran Xue, Lei Bi, Longjiang Deng,Yidong Chong和 Baile Zhang，合作单位为电子科技大学和新加坡南洋理工大学。
https://www.nature.com/articles/s41377-020-00368-7
☞ 本文来源：中科院长春光机所 Light学术出版中心
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