中大新聞網訊（通訊員陳文杰）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研究團隊成功在時間反演不變的光子晶體系統中觀測到了拓撲保護的反手性表面態。該工作以“Antichiral surface states in time-reversal-invariant photonic semietals”為題，于2023年4月11日發表在國際高水平期刊Nature Communications上。
由于其抗背向散射、急彎散射及缺陷免疫等獨特的傳輸特性，拓撲材料中的手性邊緣態在凝聚態物理學、光學、聲學等領域均受到了廣泛關注與研究。隨著拓撲光子學與集成光子學的融合，大量基于手性邊緣態的無散射損耗光子器件被設計出來。近年來，一種有別于傳統手性邊緣態的新型拓撲光傳輸模式——反手性邊緣態被提出，并在磁光光子晶體中被觀測。然而，反手性邊緣態的實現通常需要打破系統時間反演對稱性，磁光材料的使用難以推廣至可見光波段。因此，在時間反演不變系統中實現反手性邊緣態將有助于將反手性傳輸現象推廣至微納光學系統，為集成光子系統中的光場調控提供新方案。
針對以上問題，研究團隊巧妙地利用縱向層間耦合等效實現二維系統中的非互易次近鄰層內耦合（等效為在二維系統中引入規范磁場）。為了在實驗上觀測到反手性光傳輸現象，研究團隊設計出引入規范磁場所需要的光學結構并通過將印刷電路板堆疊的方式制備了實驗樣品（圖1(a)-(c)）。利用微波近場掃描技術并結合傅里葉分析手段，研究團隊成功測量到了反手性傳輸光模式的光色散曲線（圖1(d)-(f)）與光傳輸單向度譜線。由于系統規范磁場可通過光場動量kz控制，團隊成功觀測到了該時間反演對稱系統特有的動量依賴反手性光傳輸現象，即通過控制動量kz的大小調控反手性傳輸光模式的傳輸方向。除此以外，通過引入邊界缺陷、轉彎結構，發現當反手性表面態光場遇到表面缺陷時，光場可以很好的繞過缺陷繼續傳播而不產生背向散射。由此，團隊證明了該反手性光傳輸模式具有單向、抗散射的魯棒傳輸性質（圖1(g, h)）。該工作首次在時間反演對稱系統中實現反手性表面態，將有望于將反手性傳輸特性引入集成光子學體系，豐富集成光子芯片的設計自由度。
圖1. 光子晶體原胞結構(a)及俯視圖(b)；(c)實驗樣品照片；(d-f)上、下表面反手性表面態色散曲線；(g-h)反手性模式的光魯棒傳輸。
該工作由中山大學獨立完成（唯一署名單位），劉儉偉博士為第一作者，陳文杰教授和董建文教授為共同通訊作者，陳曉東副教授和陳科副教授對該工作有重要貢獻。上述工作獲得國家自然科學基金重點項目、廣東省自然科學基金卓越青年團隊項目等項目的支持，同時也得到了物理學院與光電材料與技術國家重點實驗室的大力支持。
論文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-023-37670-y
