中国光学十大进展·综述封面 | 李志远：反手性拓扑光子态的“前世今生”

华南理工大学李志远教授团队在反手性拓扑光子态领域取得重要进展，相关综述文章发表于《激光与光电子学进展》“中国光学十大进展专栏”。研究背景与基础过去十多年，拓扑光子学为操控光与电磁波提供了强大手段，拓扑光子晶体支持具有抗背向散射、免疫缺陷及单向传输特性的拓扑光子态。2022年，李志远教授团队提出异质Haldane模型，预测电子体系中单向体态的存在，可实现能量的高通量输运，并将该模型拓展至光子学领域，在异质磁化的紧凑型二维蜂窝晶格磁光光子晶体中实现了电磁波的长距离、大面积、高通量、强鲁棒性单向体态传输。该成果入选“2022中国光学十大进展”提名奖。综述文章内容团队以入选成果为基础，在《激光与光电子学进展》“中国光学十大进展专栏”发表以“反手性拓扑光子态”为主题的综述文章。文章从Dirac模型出发，推演经典Haldane模型、反手性Haldane模型以及异质Haldane模型，展示不同拓扑态的传输行为，分析反手性拓扑光子态研究面临的关键问题并展望未来发展趋势。封面解读封面展示了异质磁化磁光光子晶体中的反手性单向边界态和单向体态的传输现象。反手性单向边界态沿两个平行边界向相同方向单向传输（绿色箭头），单向体态绕过结构体内的金属障碍物而不产生背向散射（蓝色箭头）。这一发现对设计和实现大面积、高通量、强鲁棒性的能量输运材料/结构具有重要意义。研究发展历程手性边界态：2008年，Haldane等人理论预测了磁光光子晶体中手性边界态的存在，随后多个课题组在实验上通过对磁光光子晶体施加均匀磁场观测到了手性边界态。手性边界态能无背向散射地绕过尖锐拐角、障碍物，成对的手性边界态在拓扑晶体的两个平行边界沿相反方向单向传输。反手性边界态：2018年，Colomés等人通过修改Haldane模型的次近邻跃迁方向，在拓扑晶体的两个平行边界实现了沿相同方向单向传输的反手性拓扑态。2020年，李志远课题组首次在理论上提出通过对蜂窝晶格磁光光子晶体的两套对顶三角子晶格施加相反磁场实现反手性拓扑光子态，随后多个课题组在磁光光子晶体中观测到了反手性拓扑光子态并验证了其传输鲁棒性。单向体态：2022年，李志远课题组在理论上提出异质Haldane模型并在异质磁化磁光光子晶体中实现了单向体态，电磁波能绕过金属障碍物无背向散射地向前单向传输，实现了能量在结构体内的大面积、高通量、强鲁棒性传输。单向体态的实验观测2020年，李志远课题组理论上提出对蜂窝晶格磁光光子晶体的两套对顶三角子晶格施加相反磁场实现反手性拓扑光子态，并给出使用成对钕铁硼磁铁对磁光介质柱进行单独磁化的实验方案。该局域磁化方案灵活可控，降低了实验成本与难度，促进了磁光光子晶体实验研究的发展，同时降低了器件整体尺寸，有利于实际拓扑光子学器件的设计与实现。利用异质磁化方案，课题组在仿真和实验上证实了单向体态的存在，并验证了电磁波在结构内传输的鲁棒性。实验结果显示，从左端口入射的电磁波无法穿过磁光光子晶体，从右端口入射时，电磁波可以在磁光光子晶体向左单向传输，即便结构内存在尺寸远大于激发波长的金属障碍物，电磁波仍可绕过金属障碍物继续向前传输，几乎没有背向散射。反手性拓扑光子态的应用李志远课题组利用反手性拓扑态在平行边界沿相同方向传输的特性，实现了结构简单、紧凑的多通道单向波导，提高了波导信道数、通道利用效率、能量传输效率。进一步通过在横向上组合具有相反磁化配置的反手性拓扑光子晶体，实现了同时具有大带宽、无串扰、多通道等特性的单向拓扑分束器，并展示了分束比的调控。南洋理工大学Baile Zhang课题组利用反手性拓扑光子态的单向传输特性实现了拓扑单向环形腔。南京大学卢明辉课题组在反手性拓扑光子晶体中引入空间反演破缺，实现了具有任意几何形状的可重构光学成像。南方科技大学高振课题组在磁光外尔光子晶体中构建了三维反手性Haldane模型，并在实验上观察到反手性单向表面态。中山大学董建文课题组在时间反演对称保护的三维光子晶体中实现了反手性表面态。这些结果扩展了反手性拓扑光子态的研究维度与范畴，为反手性拓扑相及其拓扑光子学器件研究提供了崭新思路。总结与展望反手性拓扑光子态的研究处于起步阶段，仍有许多物理机制、现象及应用等待挖掘。光学波段实现：目前反手性拓扑光子晶体的工作频率主要在微波波段，光子晶体结构体积庞大，不利于实现集成化拓扑光子学器件。如何在光学波段实现反手性拓扑光子态成为亟待解决的问题，基于Floquet系统、激子 - 极化子系统、磁性外尔半金属、磁性半导体材料的设计方案可提供有效途径。多维度操控：绝大多数工作聚焦在二维系统中的反手性拓扑态，对光传输的操控仅局限于边界与平面。堆叠二维反手性光子晶体和三维反手性拓扑光子晶体可提供更多自由度，以实现对反手性拓扑态的多维度操控。协同效应研究：当前反手性拓扑态研究主要聚焦于拓扑