科学家构建了一种新的光拓扑绝缘体 可克服缺陷

　　缺陷着实是让人头痛的一个东西，它往往是材料/器件中绕不开的障碍或陷阱。那么是不是真的对缺陷毫无办法？倒也不是，拓扑保护便能化解缺陷对边界态的影响，使边界态畅通无阻。

　　南京大学卢明辉和陈延峰教授课题组构建了一种新的光拓扑绝缘体，其以压电/压磁超晶格材料为单元，实现了类自旋-轨道耦合。人工设计的赝时间反演对称性使得边界态免于因缺陷存在而发生背反射。这一工作为它种拓扑光子态的研究提供了丰富的借鉴。

　　拓扑绝缘体的概念首先是在电子系统中提出并实现的，其具有体能带绝缘和边界态导通的特征，存在一对自旋锁定并且受时间反演对称性保护的单向传播边界态。最近几年来，光子系统的拓扑性质也引起了人们的极大关注。

　　众所周知，光子是自旋为1的玻色子，其时间反演算符Tb（Tb2 = 1）与电子（自旋为1/2的费米子）的时间反演算符Tf（Tf2 = -1）具有本质区别。电子拓扑绝缘体的出现与费米子时间反演导致的Kramers简并相关，而光子系统的时间反演却不满足Kramers简并。在此种条件下，光子系统是否具有受时间反演对称性（Tb）保护的边界态？这是一个带有根本性的问题。

　　图 （a）光偏振庞加勒球以及左、右旋光态。（b）基于压电（PE）/压磁（PM）超晶格构成的光子晶体“光拓扑绝缘体”。

　　最近，南京大学卢明辉和陈延峰教授课题组提出了一种基于压电／压磁超晶格构成的时间反演破缺“光拓扑绝缘体”模型，研究了这个系统中光子的拓扑性质。他们发现其中光子边界态不再像电子系统中那样受时间反演对称性保护，取而代之的是一种人工构造的赝时间反演算符Tp（Tp2 = -1）保护的边界态。相关成果发表于《美国科学院院报》[C. He et al.， Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 113，4924 (2016)]上。

　　压电／压磁超晶格构成的光子晶体具有内在的磁化方向，因而破坏了时间反演对称性。当光入射时，超晶格的晶格振动将与之耦合形成极化激元。该极化激元具有偏振依赖性：左旋光（LCP）和右旋光（RCP）与超晶格耦合所形成的极化激元具有大小相同但符号相反的耦合系数，即偏振-轨道耦合（类比电子的自旋-轨道耦合），经历相反的等效规范场，从而实现光拓扑绝缘体。更为重要的是，其中的磁电耦合使得左、右旋光满足与Tf算符类似的人工对称性（赝时间反演算符Tp），确保了Kramers简并。理论和模拟分析证明：光拓扑绝缘体的拓扑性质受赝时间反演对称性Tp保护，而不是通常认为的玻色子时间反演对称性Tb。

　　图  四种不同类型杂质检验边界态背散射抑制的鲁棒性:（a）Tb不破缺，Tp破缺（单轴介质杂质）；（b）Tb，Tp均破缺（Tellegen杂质）；（c）Tb不破缺，Tp破缺（手性杂质）；（d）Tb，Tp均不破缺（手性杂质）。

　　该团队着眼于对称性这一拓扑绝缘体研究中最本质和关键的问题，提出：玻色子时间反演对称条件对设计和构造光拓扑绝缘体而言，既不必要也不充分。时间反演对称与否只是反映系统是否需要外加“磁场”或存在“内在磁化”。释放这一条件，就可以利用更多种自由度，构造更易于在光子系统中实现和调控的新的拓扑光子态。

　　这一研究结果的创新性在于：1. 提供了一种新的光拓扑绝缘体设计方案，它能够利用左旋光和右旋光作为光子的类自旋自由度；2.提出构造玻色子拓扑绝缘体的前提条件是人工构造一个对称性Tp；3.首次指出保护玻色子拓扑绝缘体的基本对称操作是Tp，而非玻色子时间反演本身Tb。

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