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  光沿直线传播,这是个常识。但在特殊的场景里,光也有可能沿“z”字形传播。


  北京时间1月10日,国际顶级期刊《Nature》报道了浙江大学信息与电子工程学院陈红胜教授课题组与新加坡科学家联合开展的一项最新研究。课题组在国际上研制成功了首个三维光学拓扑绝缘体,就像给光子搭建了“高速公路”,让光子在传输过程中实现了“急转弯”。


  这,或许是人类向光子芯片、光子计算机迈出的一步。


  一条从电子到光子的“高速路”


  三维光学拓扑绝缘体是什么?这要从电子说起。


  在传统电路中,电子遇到杂质、缺陷或者拐角时,会产生散射,造成发热、损耗等问题。为了解决这个问题,科学家研究了一种新材料拓扑绝缘体。


  这种材料的特性介于导体和绝缘体之间,它能让电子绕着材料表面传输,而在材料内部却“禁止通行”,就像为电子建立了高速公路,让电子在一条条“单向车道”上高效运输。


  受此启发,早前已有科学家提出了光学拓扑绝缘体,从理论上将电子的“高速公路”引入到光波的世界,即让光波能够绕过缺陷、拐角,高效地传播。不过,此前,这一理论尚未被实验验证。


  经过十几个版本迭代,历时几个月时间,陈红胜教授课题组的研究,实现了从电子体系到光子体系、从二维世界到三维实践的跨越,验证了具有宽频带拓扑能隙的三维光学拓扑绝缘体,弥补了这一领域的实验研究空白。


由多个开口谐振器构成的单元结构


  一束跑出“Z”字型的光


  在研究过程中,实验面临着许多困难。甚至,一开始,连专用的实验设备都没有。


  团队中,杨怡豪博士巧妙地设计提出了一种由多个开口谐振器构成的单元结构,这种结构就像高速公路的路基,是实验成功的关键。最终,联合课题组首次实现了三维光学拓扑绝缘体,可以用印刷电路板技术制作完成。


  根据光子的特性,团队搭建了电磁波三维扫场平台,“通过对材料内部及表面电磁场分布成像,我们观测到了该材料的三维能隙,以及具有二维狄拉克锥形式的表面态这些正是三维光学拓扑绝缘体的关键特征。”杨怡豪说。


  最终,在这段“高速公路”上,一束光完美地跑出了“Z”型拐角。



一束红光无障碍的绕过“Z”型拐角


  让光携带信息“跑”起来


  陈红胜认为,这一研究成果,将三维拓扑绝缘体从费米子体系扩展到了玻色子体系,有望启发其它波色子系统(如声子及冷原子等)中三维拓扑绝缘体地实验实现,对拓展三维拓扑态体系具有重要的意义。


  杂志审稿人认为,实验实现光学拓扑绝缘体非常重要,这将推动相关新兴领域的发展。


  这项研究实现的三维光学拓扑绝缘体,未来将可能适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波电磁调控器件中。不久之后,或许在微小的光子芯片或高速的光子计算机里,光将携带着信息在纵横交错的高速公路上奔跑,为我们创造出一个更快更好的世界。


  这项研究由浙江大学陈红胜教授课题组和新加坡南洋理工大学Baile Zhang教授、Yidong Chong教授课题组合作共同完成,浙江大学信息与电子工程学院杨怡豪博士为论文第一作者,陈红胜教授和Baile Zhang教授、Zhen Gao博士为共同通讯作者,浙江大学为第一完成单位。(来源:浙江在线)


文章链接:https://www.nature.com/articles/s41586-018-0829-0 




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