6月2日，物理科学与工程学院先进微结构材料教育部重点实验室陈鸿教授课题组在《自然·通讯》（Nature Communications）在线发表了关于拓扑光子学研究的最新成果“Unique Huygens-Fresnel electromagnetic transportation of chiral Dirac wavelet in topological photonic crystal”，揭示了手性光源在具有狄拉克型色散的拓扑光子结构中会产生全局诱导的能流涡旋。这是一种全新的惠更斯-菲涅耳现象，为从体态直接确定结构拓扑性提供了有效手段。

图1 基于传输线的拓扑光子晶体中体态的新奇反涡旋能流示意图

近年来，受拓扑绝缘体启发而兴起的拓扑光子学有力地促进了电磁波调控和新型波功能器件的研究。光子人工带隙材料因其丰富的物态调控机制和高度定制化的设计自由度成为了研究拓扑光子学和研制鲁棒性光子器件的重要平台。众所周知，拓扑结构最显著的特征是具有内禀的拓扑不变量以及由“体—边”对应关系确定的拓扑边界态。然而，由于人们对拓扑结构中体态的认识不够充分，目前拓扑特性对结构内部的传输调控尚不清楚。

对称性是物理学中最基本的概念之一，通常光涡旋与时间反演对称和镜像对称的破缺有关。本项研究工作在保持这两种基本对称性的蜂窝光子晶体结构中，研究了由手性光源诱导的涡旋光干涉现象。论文从理论和实验上对比研究了具有不同拓扑特性的光子晶体结构中体态的传输特性：对于有效质量为正（负）的拓扑平庸（非平庸）结构而言，全局诱导的能流涡旋与结构局部能流涡旋相同（相反），这一研究结果打破了过去人们依靠“体—边”对应关系来间接确定结构拓扑性的常规思维，也为将来集成光学与拓扑光子学器件的研制提供了新机理。

图2 (a)手性光源的惠更斯-菲涅耳现象；逆时针光源激发有效质量M>0拓扑平庸结构的相位(b)以及能流分布(c)；逆时针光源激发M<0拓扑非平庸结构的相位(e)以及能流分布(f)

我校物理科学与工程学院郭志伟助理教授与日本国家物质材料研究所(NIMS)王星翔研究员为论文共同第一作者，陈鸿教授和与NIMS胡晓教授为论文共同通讯作者。我校2022级优秀毕业生宋娟硕士为该研究工作作出了重要贡献。该项目受到国家重点研发项目、国家自然科学基金等项目资助。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-38325-8