导读

近日，南京大学王漱明教授团队联合中国科学技术大学苏州研究院蒋建华教授团队，理论提出并实验验证了一种基于合成杂化维度的可配置拓扑光子多晶结构（Topological Photonic Polycrystal, TPPC），突破了传统拓扑光子绝缘体体—边对应的限制，在全介质平台上实现了多频段，与自旋相关的拓扑边界态与角态的产生，显著提升了片上集成光子器件的信息复用维度。该研究展现了光学拓扑态的多自由度调控和多功能复用潜力，有望用于拓扑光学路由、片上拓扑逻辑等器件的设计。相关成果以“Configurable topological photonic polycrystal based on a synthetic hybrid dimension”为题，于近日刊登在《国家科技评论》（National Science Review）上。

研究背景

近年来，拓扑光子学因其对缺陷与无序的鲁棒性，在实现单向光传播、抗干扰通信等方面显示出巨大潜力。然而，传统拓扑结构受限于体—边对应法则，拓扑边界态的种类和数量难以突破，且往往需要多个晶格周期才能有效束缚边界态，限制了器件的小型化与多功能化。在此背景下，研究团队们尝试引入“合成维度”以打破几何维数的限制，构建多维度、多通道的拓扑光子器件框架。与此同时，拓扑畴壁工程在凝聚态、光声学体系中都是行之有效的调控方法。之前有研究表明，杂化拓扑畴壁可以增加拓扑边界态通道的数量，然而要实现光学的量子反常霍尔效应（QAHE）和量子谷霍尔效应（QVHE）需要施加磁场。因为光频段磁光效应微弱，且实验上难以精确刻蚀微结构，所以其应用受到限制。

研究亮点

本工作提出合成杂化维度，即将晶格方向角作为一种额外维度，在二维周期结构中有效引入三维参数空间（θ，△θ，k）构建了可配置的拓扑光子多晶（TPPC）结构。研究团队采用了赝自旋-谷耦合（pseudospin-valley Hall effect, PVHE）机制，通过不同旋转角度的介质椭圆柱，构建了赝自旋晶格和谷晶格，分别可以实现两种拓扑效应，即光学体系的量子自旋霍尔效应（QSHE）和量子谷霍尔效应（QVHE），并通过畴壁工程将其组合形成复合边界。

图1展示了TPPC的基本构型与能带调控机制。通过取向角微扰理论（APT），研究团队揭示了晶格取向角对能隙调控的规律。如图1b所示的赝自旋晶格具有空间和时间反演对称性，θ为可调的结构参数，可以形成如图1c所示的取向角各异的元胞结构，在θ＝0°∽90°时为拓扑平凡的元胞（OPC），θ＝90°∽180°时为赝自旋拓扑元胞（PPC），并且可以通过自旋陈数确认拓扑相变发生的过程（图1 d,e,f,g）。如图1i所示的谷晶格打破了空间反演对称性，构建C₃对称的两种谷元胞（VPC）结构，获得了非零的谷陈数，且谷陈数随着△θ发生微小的周期性变化，选择镜像对称的两种VPC_1,,2组成晶格，界面上具有谷极化边界态奠定基础（图1 j,k,l,m）。

图1 片上集成光子器件中的拓扑光子多晶设计

在图2中，研究团队进一步将VPC1与VPC2分别嵌套于PPC中，形成赝自旋-谷耦合的杂化拓扑畴壁。在杂化维度(θ，△θ，k)中，于同一TPPC结构中实现了多频段、多方向传播的边界态与局域角态（图2 a,b）。同时，构建赝自旋-谷耦合的超胞来研究杂化边界态的性质，在带隙内同时具有2条对应于QSHE的赝自旋边界态和1条对应于QVHE的谷边界态，且对于不同的VPC，不同谷中边界态的群速度方向相反，杂化边界态既保持了原有的本质，又产生了两种不同的群速度边界态（图2 c,d）。为了定量衡量杂化边界态和角态的局域性，研究团队定义了一个局域品质因子（Local Quality Factor）Q^L，Q^L 来源于局域态密度（LDOS）在目标频率带隙内的积分，可以定量描绘拓扑边界态的空间分布特征，辅助验证拓扑态局域的能力（图2 g）。

图2 赝自旋-谷耦合的杂化拓扑边界态与角态

图3和图4展示了基于TPPC的杂化拓扑光子集成线路（HTP-PIC）样品的实物图、实验平台与近场测量结果。图3中，研究团队构建了由PPC包围VPC₁与VPC₂的对称HTP-PIC结构，实验中通过两种涡旋相位激发源激发边界与角态（图3 a,b,c），分别观察到了8条边界态通道，局域于不同的空间位置、频段（8.4–8.7 GHz）、赝自旋，具有明显的拓扑保护的单向传播特征，证实了拓扑边界态的自旋动量锁定机制（图3 f）；在图3中，2个同频率角态出现在8.628 GHz附近，表现为电场紧密局限在结构角落，强度从中心向外呈指数衰减，具有典型的零维拓扑特征（图3 h）；同时，图3中的拓扑光子线路还保留了2个传统的谷边界态传输通道（图3 g）。局域质量因子Q^L指标显示，边界和角态处的Q^L远高于体区，表明这些模式的空间局域性极强，有利于构建高品质因子的拓扑激光器或单光子源（图3 d）。

图3 对称拓扑光子多晶片上集成器件的杂化边界态与角态

图4则展示了在非对称HTP-PIC结构下的实验观测结果。研究团队在相同PPC背景下嵌入两个具有不同△θ的VPC₂结构，构成非对称TPPC系统（图4 a），两种VPC2的区别在于△θ的改变，可进一步实现8条频率与自旋控制的拓扑边界态通道（图4 d）和4个双频率角态（图4 e，分别出现在8.584 GHz与8.629 GHz）。这种非对称HTP-PIC频率复用机制的演示，不同频率的边界态可在同一结构中共存且独立调控，展示了在同一芯片中实现多路信息处理与编码传输的潜力。

图4 非对称拓扑光子多晶片上集成器件的杂化边界态与角态

总结与展望

该工作在全介质平台上构建了可配置、可调控的拓扑光子多晶结构，不仅在同一系统中同时实现了拓扑杂化边界态与零维角态，而且可通过合成杂化维度，调节晶格几何自由度，进而获得频率、赝自旋与空间位置可复用的自旋动量锁定的边界态，展示出高度灵活性。拓扑光子多晶结构为片上拓扑光路由器、角态激光器、高维量子信息芯片提供了多频工作、可编程重构的新途径。由于该研究引入了基于“合成杂化维度”的拓扑构型思想，打破了几何维度对拓扑设计的限制，为拓扑物态与光场相互作用的深入研究提供了全新的理论框架与实验平台。未来，该平台有望进一步拓展至非厄米拓扑结构、非线性拓扑激发，以及可见光频段的高集成芯片化应用。

该项研究由南京大学王漱明教授与中国科学技术大学蒋建华教授共同指导，南京大学赖耘教授、祝世宁教授亦深入指导了本文工作，香港科技大学陈子亭教授对本文提出了重要建议。本研究由国家自然科学基金委员会、江苏省自然科学基金委员会和香港研究资助局资助。