首个三维光学拓扑绝缘体问世

2019-01-11 16:56

光沿直线传播，这是很常识的一句话。但，科学家有办法让光拐弯。浙江大学和新加坡南洋理工大学的科学家合作构建出世界上首个三维光学拓扑绝缘体，在三维材料的“高速公路”上，一束光跑出了“Z”字形。10日凌晨，该成果在《自然》杂志发表。

拓扑绝缘体是一种表面导电，内部绝缘的材料。电子在芯片里的运动，就像一辆辆跑车在集市里行驶，不断地碰撞，产生热量。拓扑绝缘体就像为电子建立了高速公路，让电子在一条条“单向车道”上运行。

受到拓扑绝缘体的启发，科学家提出了光学拓扑绝缘体，试图将拓扑绝缘体的神奇特性拓展到光学系统。而在此前，光学拓扑绝缘体的实验研究长期局限于二维空间。

对此，科研人员设计了一种由多个开口谐振器构成的单元结构，具有很强的电磁双各向异性特性，是宽频带三维光学拓扑绝缘体实验得以成功的关键。

最终，联合课题组首次实现了三维光学拓扑绝缘体，它具有宽频带拓扑能隙。这种三维光学拓扑绝缘体，可以用印刷电路板技术制作完成。经课题组验证，由于表面光子受到该材料的拓扑保护，光子在传输过程中，不被杂质、缺陷或者拐角影响，成功避免了光因发生散射导致信息耗散的问题。

“这项研究或可应用于三维拓扑光学集成电路、拓扑波导、光学延迟线、拓扑激光器以及其他表面电磁波的调控器件。”浙江大学信息与电子工程学院教授陈红胜说，对其它波色子系统（如声子及冷原子等）中三维拓扑绝缘体的实现也将有所启发。

这或许是人类向光子芯片、光子计算机迈出的一步。未来，在微小的光子芯片里，光携带着信息在纵横交错的高速公路上奔跑，创造着更快更好的世界。

（记者：江耘实习生：洪恒飞）

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