与传统绝缘体不同，拓扑绝缘体在内部绝缘，边界导电，在体系能隙内可以引入额外的边界模式，这种模式具有鲁棒性，能够实现电磁波的单向无散射传输。类比电子拓扑，光子拓扑近年来成为研究热点。光子晶体由不同折射率材料周期性排列组成，是探索各种拓扑态较为方便的平台。然而，在光波波段磁光材料对磁场的响应较弱，且外加磁场的引入限制了其在片上集成器件上的应用。基于晶格对称性实现的光子拓扑体系解决了这一问题。我院微纳光子学团队通过滑移和旋转光子晶体的亚晶格基元原子，对光子石墨烯晶体进行Kekulè调制，构筑多拓扑态，并应用在彩虹捕获和分束等拓扑器件设计上。题为《Multiple topological states in photonic crystals with generalized Kekulé modulation》的相关成果发表在《Applied Physics Letters》上。

在微纳米光学结构中，杂质和缺陷散射是不可避免的，这限制了他的应用发展。受拓扑保护的微纳光学结构和器件具有杂质缺陷免疫性，为解决这一问题提供了方案。在这个工作中，我们首先通过旋转操作，在动量-能量空间中引入一个新的维度 ，在 全空间中获得连续拓扑相变，而光子带隙始终不闭合，如图1(e)中两灰色曲面的间隙。在这个全带隙中，由不同拓扑性质光子晶体构造的边界态能带色散在合成空间形成一个狄拉克锥，如图1(e)彩色曲面所示，其中简并点处为无能隙边界态。在不同手性源的激发下，电磁波向着对应方向单向传输，并可以无散射地绕过障碍物向前传输，即实现拓扑保护，如图1(b-d)。狄拉克锥的出现预示了一维边界态的拓扑相变，在不同拓扑相的边界态的界面处，拓扑角态形成，如图1(f)，其本征频率落在对应边界态的能隙中。基于图1(e)中构筑的一系列边界态，我们设计了光子片上集成中两种重要的器件，电磁波分束和彩虹捕获拓扑器件。如图1(g)，不同频率下的电磁波传播至相应的空间位置而被捕获，实现频率随空间分布的场强局域。

这个工作中，多拓扑态构筑和拓扑器件设计的新颖方式，为光子片上集成提供了新的思路。

图1 (a)光子晶体单元结构。(b)和(c)为不同手性源激励下无能隙边界态电场强度分布。(d)电磁波沿含有60°拐角的边界传输电场分布，激励源与(b)相同。(e)体态与边界态能带色散，灰色曲面为体态，彩色为边界态。(f)有能隙边界态与拓扑角态色散，蓝色实心点为角态，黑色、蓝色、红色曲线为边界态，灰色区域为体态。(g)拓扑彩虹捕获器电场沿界面的分布。

物理工程学院研究生许文清为第一作者，曲阜师范大学物理工程学院张霞副教授和南京大学王强副教授为共同通讯作者，曲阜师范大学为第一完成单位。

供稿审核：刘广强

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终审：满忠晓