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超强激光科学卓越创新简报

(第一百七十四期)

2021年3月16日

上海光机所提出可用于实现多路复用和动态路由的拓扑表面波光子体系

　　近日，中国科学院上海光学精密机械研究所联合英国伯明翰大学张霜教授团队，从理论上研究了两个拓扑非平庸光子体系之间的表面态，提出了特殊的表面波传播模式，并且利用它设计了非互易性波导，通过改变磁场的强弱可以动态的改变表面波的传播行为。相关结果发表于Laser & Photonics Reviews。

　　拓扑光子学是一个前沿科学研究领域，拓扑体系的一个典型特征是存在无耗散模式的表面态，这种表面态能够有效的绕过传输路径上的障碍物，降低能量的损失，在低损耗集成芯片上有广阔的应用前景。目前的研究对象主要集中在拓扑非平庸材料和空气之间的表面态，本工作系统的研究两个拓扑非平庸体系之间的表面态模式，展示了一种在三维结构中只能单向传播的电磁波特殊模式。

　　该工作团队利用超材料构建了时间对称性破缺和空间对称性破缺的两种体系，具体来说就是磁化等离子体和手性双曲超材料。利用等效参数计算了两个体系的哈密顿量、能带结构、贝里曲率、陈数以及费米弧的分布。计算结果表明，虽然两种体系可以有相似的费米面，但是拓扑属性却截然不同，因此两者之间的表面态模式也极其特殊。和以往的表面态传播形式在三维空间是可以双向流动有所不同，这里，两个表面态都被限制到半个K空间，并且能流方向是单向的，如图1(d)和1(g)所示。利用这个性质，可以构建非互易性波导、多路复用、光开关和光隔离等装置，通过合理的参数设置，该研究团队使两个表面态的传播路径重合，并且利用磁化等离子体中磁场强度的可调谐性，实现两个模式之间的转换，图2为仿真结果，利用磁场控制电磁波传输路径并且实现任意大小的分光比，为拓扑表面态的应用迈进了一步。

　　本工作得到国家自然科学基金、中科院前沿科学重点研究计划、国家留学基金委的支持。

　　原文链接

图1 不同体系之间的费米面和费米弧分布以及对应的表面态传播示意图

图2 (a)表面态的多路复用，(b-f)磁控动态表面态分束仿真结果

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