中大新聞網訊（通訊員陳曉東）中山大學物理學院、光電材料與技術國家重點實驗室董建文教授團隊首次實驗上實現了光學拓撲安德森絕緣體。研究人員采用了一種創新的實驗設計，不僅構建了互為時間反演對稱的光學贗自旋對，同時還能靈活地調控無序程度的強弱，成功實現了光學拓撲安德森絕緣體（Photonic Topological Anderson Insulator, PTAI）。通過理論分析，數值模擬以及實驗驗證，研究人員全面證實了無序誘導的拓撲相變的存在。此外，進一步的實驗展示了無序誘導的光束轉向，揭示了無序對光傳播調控的潛力。該項研究成果以“Realization of Time-Reversal Invariant Photonic Topological Anderson Insulators”為題在線發表在國際著名期刊《物理評論快報》（Physical Review Letters）。
在近年來的拓撲光子學研究中，科學家們設計和制造了多種具有非平庸特性的光學拓撲絕緣體。這些材料在無序程度較低時，能夠維持邊界態的魯棒傳播，這對于開發高性能的片上光波導和拓撲激光器具有重要意義。然而，當無序程度增強時，帶隙會閉合，導致系統退化為平庸態，從而失去邊界態的魯棒性。值得注意的是，某些特定的強無序條件并不會對光的傳播產生負面影響，反而可以通過無序誘導的拓撲相變，將系統從平庸態轉變為拓撲態，形成拓撲安德森絕緣體。然而，到目前為止，仍然沒有從實驗上實現時間反演對稱PTAI。
為此，研究團隊研究了一種特殊的平板光子晶體結構，如圖1所示。在該結構中，研究人員利用橫磁波導模和橫電波導模的線性組合來構建互為時間反演對稱的光學贗自旋對。這是實現時間反演對稱PTAI的關鍵步驟。此外，通過隨機旋轉晶體原胞中的各向異性三腳架型金屬塊，研究人員能夠引入無序，并且可以通過旋轉角度的大小來靈活調控無序程度的強弱。這種設計為實驗上控制無序提供了一種有效的方法。接著，通過理論分析，數值模擬以及實驗驗證，研究人員全面證實了無序誘導的拓撲相變的存在。此外，進一步的實驗展示了無序誘導的光束轉向，揭示了無序對光傳播調控的潛力。
圖1 時間反演對稱的光學拓撲安德森絕緣體示意圖（圖上方青色部分）。
該研究由中山大學完成，董建文教授為通訊作者，陳曉東副教授、高梓軒博士為共同第一作者。合作單位包括香港科技大學，陳子亭教授為通訊作者，崔曉晗博士后為共同第一作者。該研究得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金委重點項目等的資助，以及物理學院、光電國重室等的大力支持。
論文鏈接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.133802
