科研学术

　　近日，电子科技大学电子科学与工程学院，国家电磁辐射控制材料工程技术研究中心邓龙江院士团队周佩珩教授课题组与新加坡南洋理工大学Baile Zhang教授等团队合作研究成果，以“Topological Chern vectors in three-dimensional photonic crystals”为题，在Nature上发表。电子科技大学为第三单位，周佩珩教授为共同通讯作者。

　　拓扑绝缘体自提出以来一直是凝聚态系统中的一大研究热点。其表面电流可以免疫结构中的缺陷，从而实现高效的电子输运。近年来，科学家将拓扑绝缘体的概念拓展到了光子系统中。此前的研究工作已从理论、实验等方面证明了光子拓扑绝缘体同样具有绕过杂质、缺陷传输的边界态。特别是基于量子反常霍尔效应的陈绝缘体，由于其手性边界态还具有单向传输的特点成为一类重要的光子拓扑材料，可应用于高效能激光、光纤和光子电路等。然而，尽管拓扑光学发展迅猛，陈绝缘体依然只存在于二维状态。虽然理论工作已经预言了三维陈绝缘体及其二维手性表面态的存在，但尚未在任何体系中被发现。

　　本文的工作基于旋磁光子晶体获得了首个三维光学陈绝缘体，并实验观测到它的一系列新颖特征。首先，二维陈绝缘体的拓扑特性由标量陈数来描述，而三维陈绝缘体需要将陈数推广为矢量。对于两个陈矢量大小相同、方向相互垂直的三维陈绝缘体交界面（图1b），其理论和实验测试的手性表面态等频面如图1c。该二维表面布里渊区的上下和左右边界连续，因此可等价于一个圆环体。若把等频面投影到这个圆环体上，可以得到由两个纽结相互嵌套构成的链环（图1d）。通过调节陈矢量的大小，能够形成任意的纽结或者链环。这项发现首次揭示了纽结理论与拓扑物理的内在联系。

图1：两个陈绝缘体交界面形成链环

　　其次，本工作演示了旋磁光子晶体结构（图2a）中三维普通绝缘体、三维陈绝缘体和外尔半金属之间的相变。如图2b所示，相图中的绿点、蓝点和红点分别代表了普通三维绝缘体、外尔半金属和三维陈绝缘体，其中外尔半金属拥有连接着一对外尔点（图2c和d中红、蓝色球）的单一费米弧（Fermi arc）表面态。通过调节磁场强度，可以移动外尔点在动量空间的位置，当这一对具有相反拓扑荷的外尔点相互湮灭，外尔半金属就发生了拓扑相变，成为三维陈绝缘体。这也是首次在光学体系中实现理论上最简单、最理想的外尔半金属。

图2：旋磁光子晶体中的拓扑相变

　　以上工作为三维陈绝缘体光子能带结构的拓扑特征提供了确凿的实验证据，其中陈矢量是标量陈数的矢量推广；三维陈绝缘体的手性表面态能够在表面布里渊区形成纽结或者链环。通过这个平台可以进一步操作陈矢量，并为持续探索物理拓扑与数学拓扑的联系奠定基础。

　　论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-022-05077-2