近日，南方科技大学电子与电气工程系高振副教授课题组首次在三维光学拓扑绝缘体中实验观测到拓扑狄拉克涡旋传输态，相关成果以“Topological Dirac-vortex modes in a three dimensional photonic topological insulator”为题发表在 Nature Communications 上。

实空间中的拓扑晶格缺陷与倒空间中的能带拓扑之间的相互作用催生了许多新奇的拓扑物理现象，并拥有广泛的应用前景，例如拓扑光学腔、激光器、波导、光纤以及合成维度中的三维光学拓扑绝缘体等。起源于带质量涡旋狄拉克方程的Jackiw-Rossi零模的拓扑狄拉克涡旋态已在高能物理、凝聚态物理及拓扑物理等诸多领域中引起了广泛关注。这归因于其独特的物理性质，如可调模式面积、任意模式简并度、矢量光束发射和大自由光谱范围等。然而，迄今为止，关于光学拓扑狄拉克涡旋态的研究仍局限于支持零维局域态的二维光学系统（如图1a 所示）。尽管在三维声子晶体中已经实现一维狄拉克涡旋传输模式以及局域于三维狄拉克涡旋缺陷中的零维单极子模式，从而将拓扑狄拉克涡旋模式从二维声学系统拓展到三维声学系统。然而，由于三维空间电磁波的矢量特性，拓扑狄拉克涡旋模式能否在三维拓扑光学结构中实现（即使在理论上）仍是一个悬而未决的问题。

图1 三维 Kekulé 畸变蜂窝晶格中的拓扑狄拉克涡旋模式

图2 三维光学拓扑绝缘体中的拓扑狄拉克涡旋模式

为了将拓扑狄拉克涡旋模式从二维光学系统拓展至三维光学系统，高振团队通过在三维类紧束缚金属笼光子晶体中引入 Kekulé 畸变（如图2a-2b所示），每一个介质柱都被周围的金属柱包围以束缚米氏共振，使得三维光子晶体中的矢量电磁波被简化为标量波，其体带色散也类似于标量波（如图2c所示），且与三维紧束缚模型的色散（如图1d所示）吻合。对三维类紧束缚金属笼光子晶体施加随位置变化的非周期性Kekulé畸变，由此引入随位置变化的质量项（如图 2e 所示）。由此，其体能带带隙中出现了一维拓扑狄拉克涡旋传输模式（红线，如图2f 所示）。拓扑狄拉克涡旋模式束缚于一维狄拉克涡旋线缺陷并沿其双向传播（如图 2g-2h所示）。

图3 三维光学拓扑绝缘体中拓扑狄拉克涡旋模式的实验观测

图4 光学拓扑狄拉克涡旋模式的鲁棒性

利用微波近场成像测量，研究团队直接观测到束缚于三维光子拓扑绝缘体中一维狄拉克涡旋线缺陷并沿其传播的拓扑狄拉克涡旋模式（如图3所示）。此外，研究团队通过实验证明，光学拓扑狄拉克涡旋模式对各种缺陷和障碍物表现出强鲁棒性（如图4所示），使其非常适合在三维空间中进行稳健的电磁波操控。研究团队的工作不仅首次将光学拓扑狄拉克涡旋态从二维扩展到三维，还为探索由三维拓扑光子晶体中的拓扑晶格缺陷所催生的新颖物理现象和实际应用提供了一个理想的平台。

南方科技大学博士后颜贝、博士生綦荧枫、硕士生王子尧为该论文的共同第一作者，高振、东莞理工学院副教授郗翔为论文共同通讯作者，南方科技大学为论文第一单位。该研究工作得到了国家自然科学基金委的支持。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-61238-7

供稿：电子与电气工程系

通讯员：李薇

主图：丘妍

编辑：曾昱雯