北京時間1月10日凌晨，國際頂級期刊《自然》報道了浙江大學(xué)信息與電子工程學(xué)院陳紅勝教授課題組的一項最新研究。課題組在國際上研制成功了首個三維光學(xué)拓?fù)浣^緣體，將三維拓?fù)浣^緣體從費(fèi)米子體系擴(kuò)展到了玻色子體系，有望大幅度提高光子在波導(dǎo)中的傳輸效率。
這項研究由浙江大學(xué)陳紅勝教授課題組和新加坡南洋理工大學(xué)Baile Zhang教授、Yidong Chong教授課題組合作共同完成，浙江大學(xué)信息與電子工程學(xué)院楊怡豪博士為論文第一作者，陳紅勝教授和Baile Zhang教授、Zhen Gao博士為共同通訊作者，浙江大學(xué)為第一完成單位。
共同追求，讓電磁波傳播受到的干擾降到最低
光是生活中常見的電磁波，不僅能夠在空中傳播，也可以在引導(dǎo)電磁波的波導(dǎo)器件中傳播，或者在兩層介質(zhì)交界面處沿著界面?zhèn)鞑?，即表面波。電磁波在這些波導(dǎo)或者介質(zhì)交界面?zhèn)鞑r，如遇到缺陷、雜質(zhì)、波導(dǎo)拐彎等，會產(chǎn)生不可避免的散射，從而造成能量損耗，這將極大地降低波導(dǎo)的傳輸效率。
表面波遇到缺陷、雜質(zhì)、或者波導(dǎo)拐彎等，會產(chǎn)生不可避免的散射
然而，表面波傳播是光學(xué)導(dǎo)波器件中非常重要的導(dǎo)波基礎(chǔ)，實現(xiàn)對這些雜質(zhì)、缺陷、或者拐角“隱身”，能夠?qū)θ毕莺凸战堑取懊庖摺?，從而使電磁波傳播不受其影響的新穎波導(dǎo)在未來具有重大的應(yīng)用前景。
2016年底還是博士研究生的楊怡豪就為解決這一難題開始研究，前瞻的研究領(lǐng)域+“零的突破”的挑戰(zhàn)+新型人工電磁材料結(jié)構(gòu)設(shè)計的豐富經(jīng)驗，讓楊怡豪以及課題組一開始為研制首個三維光學(xué)拓?fù)浣^緣體鉚足了力量。
眾所周知，在傳統(tǒng)電路（比如電子芯片）中也經(jīng)常碰到，電子遇到雜質(zhì)、缺陷或者拐角時，會產(chǎn)生散射，造成發(fā)熱、損耗等問題。為了解決這個問題，科學(xué)家提出了一種新材料——拓?fù)浣^緣體。這種材料特性介于導(dǎo)體和絕緣體之間，其內(nèi)部表現(xiàn)為絕緣體，而材料表面表現(xiàn)為導(dǎo)體。有趣的是，其表面電流源于材料內(nèi)部電子能帶的拓?fù)涮匦裕軌驅(qū)θ毕?、拐角、無序等“免疫”，故而實現(xiàn)電子的高效運(yùn)輸。拓?fù)浣^緣體自提出以來一直是凝聚態(tài)領(lǐng)域的一大研究熱點(diǎn)，關(guān)于拓?fù)湮镔|(zhì)的研究工作榮獲了2016年的諾貝爾物理學(xué)獎。
受拓?fù)浣^緣體的啟發(fā)，科學(xué)家提出了光學(xué)拓?fù)浣^緣體，成功將拓?fù)浣^緣體的神奇特性拓展到了光學(xué)系統(tǒng)。科學(xué)家們已經(jīng)從理論上證明，表面波在光學(xué)拓?fù)浣^緣體傳播時，能夠繞過缺陷、拐角，實現(xiàn)高效地傳播。
然而，在浙大陳紅勝課題組的這項研究成果發(fā)表前，三維光學(xué)拓?fù)浣^緣體的實驗研究仍然是空白，光學(xué)拓?fù)浣^緣體的實驗研究還局限于二維空間。
這部分原因在于，光子與電子有著本質(zhì)的不同：光子為整數(shù)自旋的玻色子，電子為半整數(shù)自旋的費(fèi)米子，因此不能簡單地把電子三維拓?fù)浣^緣體的設(shè)計拓展到光學(xué)體系。
那么為什么科學(xué)家依然要鍥而不舍地研究三維光學(xué)拓?fù)浣^緣體呢？這是因為光學(xué)拓?fù)浣^緣體的實驗研究局限于二維空間，在二維光學(xué)拓?fù)浣^緣體中，表面波傳播時只有一維單向的拓?fù)溥吔鐟B(tài)，而表面波在三維光學(xué)拓?fù)浣^緣體中傳播時，其拓?fù)浔砻鎽B(tài)表現(xiàn)為二維無質(zhì)量狄拉克費(fèi)米子。
因此，《自然》雜志的匿名評審專家，評價這項研究工作時指出，實驗實現(xiàn)三維光學(xué)拓?fù)浣^緣體十分重要，將推動該新興領(lǐng)域的發(fā)展。
特殊結(jié)構(gòu)，讓缺陷“隱身”
針對現(xiàn)有的重重難題，陳紅勝課題組和Baile Zhang、Yidong Chong研究組等構(gòu)成的國際聯(lián)合研究團(tuán)隊，通過聯(lián)合攻關(guān)，首次實驗實現(xiàn)了具有寬頻帶拓?fù)淠芟兜娜S光學(xué)拓?fù)浣^緣體。在這一研究過程中，楊怡豪博士巧妙地設(shè)計提出了一種由多個開口諧振器構(gòu)成的電磁單元結(jié)構(gòu)，該電磁單元結(jié)構(gòu)具有很強(qiáng)的電磁雙各向異性特性，這是實現(xiàn)寬頻帶三維光學(xué)拓?fù)浣^緣體并使實驗最終得以成功驗證的關(guān)鍵。
電磁雙各向異性介質(zhì)單元
三維光學(xué)拓?fù)浣^緣體的設(shè)計過程并非一帆風(fēng)順，也有過多次失敗。但是楊怡豪憑借團(tuán)隊在新型人工異向介質(zhì)材料上雄厚的研究基礎(chǔ)，經(jīng)過十幾個版本迭代，歷時幾個月設(shè)計出了電磁雙各向異性介質(zhì)單元。
那么，浙大陳紅勝課題組提出的三維結(jié)構(gòu)，是不是三維光學(xué)拓?fù)浣^緣體？這是一個重要的問題，需要得到實驗驗證。
三維拓?fù)浣^緣體的本質(zhì)特征在于材料體內(nèi)具有三維能隙，而材料表面具有二維狄拉克錐形式的能帶。過去科學(xué)家們在驗證電子拓?fù)浣^緣體需要購買高昂的檢測設(shè)備。這一次，這一國際聯(lián)合團(tuán)隊根據(jù)光子或者說電磁波的特性搭建電磁波三維掃場平臺，進(jìn)行了實驗測試。他們通過對三維光學(xué)拓?fù)浣^緣體內(nèi)部及表面電磁場分布成像，提取電磁波模式的色散特征，該研究團(tuán)隊在實驗中成功地觀測到了該材料的三維能隙，以及具有二維狄拉克錐形式的表面態(tài)——這些正是三維光學(xué)拓?fù)浣^緣體的關(guān)鍵特征。
表面波無障礙的繞過Z型拐角
由于表面光子受到拓?fù)浔Ｗo(hù)，該三維光學(xué)拓?fù)浣^緣體可以用來構(gòu)建光子“高速公路”，讓光子在傳輸過程中，不被雜質(zhì)、缺陷或者拐角影響，或者說，各類缺陷“隱身”了。為了對上述理論進(jìn)行驗證，該研究團(tuán)隊通過對三維曲面上表面態(tài)的成像，實驗驗證了表面波在界面?zhèn)鞑r能夠無障礙地繞過Z型拐角。這一現(xiàn)象表明，對表面波來說，這些拐角就像被“隱形”不可見一樣，而能夠繞過拐角實現(xiàn)高效地傳播正是受益于三維光學(xué)拓?fù)浣^緣體的拓?fù)浔Ｗo(hù)特性。
這項研究實現(xiàn)的三維光學(xué)拓?fù)浣^緣體，或可適用于三維拓?fù)涔鈱W(xué)集成電路、拓?fù)洳▽?dǎo)、光學(xué)延遲線、拓?fù)浼す馄饕约捌渌砻娌姶耪{(diào)控器件中。由于將三維拓?fù)浣^緣體從費(fèi)米子體系擴(kuò)展到了玻色子體系，該研究有望啟發(fā)其它波色子系統(tǒng)（如聲子及冷原子等）中三維拓?fù)浣^緣體地實驗實現(xiàn)，對拓展三維拓?fù)鋺B(tài)體系具有重要的意義。
這項工作的共同作者還包括浙江大學(xué)博士生張莉、賀夢佳，新加坡南洋理工大學(xué)Ranjan Singh助理教授以及博士生Haoran Xue、Zhaoju Yang，他們也都在此工作中作出了重要貢獻(xiàn)。該工作受到國家自然科學(xué)基金委杰出青年基金項目、國家青年拔尖人才計劃等項目資助。
（柯溢能）
論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-018-0829-0
