国际顶级期刊《天然》报导陈红胜传讲课题组最新研究

编辑: 日期:2019-01-10 拜访次数:1433

北京时间1月10日凌晨,国际顶级期刊《天然》报导了浙江大年夜学信息与电子工程学院陈红胜传讲课题组的一项最新研究。课题组在国际上研制成功了首个三维光学拓扑绝缘体,将三维拓扑绝缘体从费米子体系扩大到了玻色子体系,有望大年夜幅度进步光子在波导中的传输效力。



 


三维光学拓扑绝缘体


这项研究由浙江大年夜学陈红胜传讲课题组和新加坡南洋理工大年夜学Baile Zhang传授、Yidong Chong传讲课题组协作合营完成,浙江大年夜学信息与电子工程学院杨怡豪博士为论文第一作者,陈红胜传授和Baile Zhang传授、Zhen Gao博士为合营通信作者,浙江大年夜学为第一完成单位。


 

合营寻求,

让电磁波传播遭到的搅扰降到最低


光是生活中罕见的电磁波,不只可以或许在空中传播,也能够在引导电磁波的波导器件中传播,或许在两层介质交界面处沿着界面传播,即外面波。电磁波在这些波导或许介质交界面传播时,如碰到缺点、杂质、波导拐弯等,会产生弗成防止的散射,从而形成能量消耗,这将极大年夜地降低波导的传输效力。


外面波碰到缺点、杂质或许波导拐弯等,会产生弗成防止的散射

 

但是,外面波传播是光学导波器件中异常重要的导波基本,完成对这些杂质、缺点、或许拐角“隐身”,可以或许对缺点和拐角等“免疫”,从而使电磁波传播不受其影响的新鲜波导在将来具有严重年夜的应用前景。


2016岁尾,照样博士研究生的杨怡豪就为处理这一困难开端研究,前瞻的研究范畴+“零的冲破”的挑衅+新型人工电磁材料构造设计的丰富经历,让杨怡豪和课题组一开端就为研制首个三维光学拓扑绝缘体铆足了力量。


尽人皆知,在传统电路(比如电子芯片)中也常常碰着,电子碰到杂质、缺点或许拐角时,会产生散射,形成发热、消耗等成绩。为懂得决这个成绩,迷信家提出了一种新材料——拓扑绝缘体。这类材料特点介于导体和绝缘体之间,其外部表示为绝缘体,而材料外面表示为导体。风趣的是,其外面电流源于材料外部电子能带的拓扑特点,可以或许对缺点、拐角、无序等“免疫”,故而完成电子的高效运输。拓扑绝缘体自提出以来一向是凝集态范畴的一大年夜研究热点,关于拓扑物质的研究任务荣获了2016年的诺贝尔物理学奖。


受拓扑绝缘体的启发,迷信家提出了光学拓扑绝缘体,成功将拓扑绝缘体的神独特点拓展到了光学体系。迷信家们曾经从实际上证明,外面波在光学拓扑绝缘体传播时,可以或许绕过缺点、拐角,完成高效地传播。


但是,在浙大年夜陈红胜课题组的这项研究成果发表前,三维光学拓扑绝缘体的实验研究依然是空白,光学拓扑绝缘体的实验研究还局限于二维空间


这部分缘由在于,光子与电子有着本质的不合:光子为整数自旋的玻色子,电子为半整数自旋的费米子,是以不克不及简单地把电子三维拓扑绝缘体的设计拓展到光学体系。


那么为甚么迷信家依然要坚持不懈地研究三维光学拓扑绝缘体呢?这是由于光学拓扑绝缘体的实验研究局限于二维空间,在二维光学拓扑绝缘体中,外面波传播时只要一维单向的拓扑界线态,而外面波在三维光学拓扑绝缘体中传播时,其拓扑外面态表示为二维无质量狄拉克费米子。


是以,《天然》杂志的匿名评审专家,评价这项研究任务时指出,实验完成三维光学拓扑绝缘体非常重要,将推动该新兴范畴的生长


特别构造,让缺点“隐身”


针对现有的重重困难,陈红胜课题组和BaileZhang、Yidong Chong研究组等构成的国际结合研究团队,经过过程结合攻关,初次实验完成了具有宽频带拓扑能隙的三维光学拓扑绝缘体。在这一研究过程当中,杨怡豪博士奇妙地设计提出了一种由多个开口谐振器构成的电磁单位构造,该电磁单位构造具有很强的电磁双各向异性特点,这是完成宽频带三维光学拓扑绝缘体并使实验终究得以成功验证的关键


电磁双各向异性介质单位

 

三维光学拓扑绝缘体的设计过程并不是好事多磨,也有过屡次掉败。然则杨怡豪仰仗团队在新型人工异向介质材料上雄厚的研究基本,经过十几个版本迭代,用时几个月设计出了电磁双各向异性介质单位。


杨怡豪在做微波实验


那么,浙大年夜陈红胜课题组提出的三维构造,是否是三维光学拓扑绝缘体?这是一个重要的成绩,须要取得实验验证。


三维拓扑绝缘体的本质特点在于材料体内具有三维能隙,而材料外面具有二维狄拉克锥情势的能带。之前迷信家们验证电子拓扑绝缘体须要购买昂扬的检测设备。这一次,这一国际结合团队根据光子或许说电磁波的特点搭建电磁波三维扫场平台,停止了实验测试。们经过过程对三维光学拓扑绝缘体外部及外面电磁场分布成像,提取电磁波形式的色散特点,该研究团队在实验中成功地不雅测到了该材料的三维能隙,和具有二维狄拉克锥情势的外面态——这些正是三维光学拓扑绝缘体的关键特点。


外面波无妨碍的绕过Z型拐角

 

由于外面光子遭到拓扑保护,该三维光学拓扑绝缘体可以用来构建光子“高速公路”,让光子在传输过程当中,不被杂质、缺点或许拐角影响,或许说,各类缺点“隐身”了。为了对上述实际停止验证,该研究团队经过过程对三维曲面上外面态的成像,实验验证了外面波在界面传播时可以或许无妨碍地绕过Z型拐角。这一景象注解,对外面波来讲,这些拐角就像被“隐形”弗成见一样,而可以或许绕过拐角完成高效地传播正是受益于三维光学拓扑绝缘体的拓扑保护特点。


这项研究完成的三维光学拓扑绝缘体,或可实用于三维拓扑光学集成电路、拓扑波导、光学延迟线、拓扑激光器和其他外面波电磁调控器件中。由于将三维拓扑绝缘体从费米子体系扩大到了玻色子体系,该研究有望启发其它波色子体系(如声子及冷原子等)中三维拓扑绝缘体的实验完成,对拓展三维拓扑态体系具有重要的意义。


这项任务的合营作者还包含浙江大年夜学博士生张莉、贺梦佳,新加坡南洋理工大年夜学Ranjan Singh助理传授和博士生Haoran Xue、Zhaoju Yang,他们也都在此任务中作出了重要供献。该任务遭到国度天然迷信基金委出色青年基金项目、国度青年拔尖人才网job.vhao.net筹划等项目赞助。


课题构成员合影


转自   浙江大年夜学公众号

文字记者:柯溢能

图片来源于课题组

昔日编辑:芷凌

义务编辑:李灵