西安交通大学科研人员在非线性拓扑光子学领域取得新进展

不同于传统意义上的金属和绝缘体，拓扑绝缘体仅在物质表面导电而内部绝缘。作为一种新型的物质态，拓扑绝缘体为调控电子行为提供了新方法，在解决电子器件热损耗、提高器件处理速度方面具有巨大的应用潜力。与拓扑绝缘体类似，光学拓扑绝缘体具有受拓扑保护的边界态，对系统边界上的缺陷具有一定的抵抗能力，因此在光场调控方面被寄予厚望。虽然光学拓扑边界态可以被限制在边界上不会往系统内部散射，但是不可避免的衍射机制依然会造成边界态沿边界方向展宽，限制了光学拓扑边界态作为信息载体的适用性。而利用非线性机制对光场的自聚焦效应来平衡衍射展宽，通过光学拓扑边界态的自陷形成光学拓扑边界孤子，是克服光学拓扑边界态展宽的有效方法之一，也是近年来非线性拓扑光子学研究的热点问题。基于能谷霍尔效应拓扑边界态构造拓扑边界孤子，不仅无需打破时间反演对称性，并且可以实现拓扑激光及光学片上器件的制造，具有操作方便等优势。

近日，西安交通大学电信学部电子学院等离子体与微波电子学研究所张贻齐副教授与南开大学陈志刚教授及宋道红教授合作，首次报道了基于能谷霍尔效应的拓扑边界孤子，填补了目前非线性拓扑光子学研究领域的空白。研究工作主要依托弱光非线性光折变光学晶体，通过调节直写激光的强度对光晶格波导的折射率引入失谐，从而打破系统的空间反演对称性，可得到支持能谷霍尔效应拓扑边界态的畴壁结构。研究表明，在非线性光折变光子晶格中，固有第II类狄拉克锥的光晶格波导阵列系统支持能谷霍尔效应拓扑边界孤子。这项工作为拓扑边界态的空间操纵提供了一种新的方法，光学拓扑绝缘体中不同物理机制的相互作用可能为发展光子技术带来更多可能性。SPIE news、中国激光杂志社对本工作进行了专题报道。

(a)实验装置图。(b)利用连续激光直写技术在铌酸锶钡(SBN)晶体中得到具有畴壁结构的复合光晶格。(c)能谷霍尔效应拓扑边界态的传播动力学过程。

相关成果以《基于II型狄拉克锥的非线性能谷霍尔效应拓扑边界态》(Nonlinear topological valley Hall edge states arising from type-II Dirac cones)为题发表在《先进光子学》(Advanced Photonics)上，西安交通大学为第一单位和第一通讯单位。西安交通大学博士生钟华与南开大学夏士齐博士为共同第一作者，张贻齐副教授、陈志刚教授及宋道红教授为共同通讯作者。西安交通大学李永东教授及刘纯亮教授参与了数据分析与讨论。本研究获得了国家自然科学基金面上项目及国家重点研发项目的支持。

张贻齐长期从事拓扑光子学与类量子效应的研究，以第一作者及通讯作者在《自然物理学》(Nature Physics)、《物理评论快报》(Physical Review Letters)、《自然通讯》(Nature Communications)、《激光与光子学评论》(Laser & Photonics Reviews)、《光学》(Optica)等国际著名期刊发表SCI收录论文近70篇。

文章链接：https://www.researching.cn/articles/OJ631738ef969b1a97

SPIEnews报道链接：https://spie.org/news/topological-valley-hall-edge-solitons-in-photonics

中国激光杂志社报道链接：https://mp.weixin.qq.com/s/pSubuBQY9Lc-T_FnLPv_vQ