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拓扑光子学在集成光子器件等领域潜力巨大，但超紧凑 Aubry–André–Harper（AAH）等离子体拓扑绝缘体的片上集成面临难题。研究人员通过连接金纳米盘和波导开展研究，直接表征了 AAH 结构的拓扑性质，实现了偏振复用控制，为相关领域发展提供支撑。
在光的奇妙世界里，拓扑光子学宛如一颗闪耀的新星，为集成光子器件和信息处理芯片的发展带来了无限可能。其中，Aubry–André–Harper（AAH）模型更是为探索新物理和实际应用搭建了一个独特的平台。然而，在将超紧凑的 AAH 等离子体拓扑绝缘体集成到芯片上的过程中，却遇到了两只 “拦路虎”。一方面，在制备样品时，对耦合参数的精度要求极高，哪怕是极其微小的偏差，都可能导致实验结果大打折扣；另一方面，等离子体纳米结构之间的纳米间隙中存在热点，这些热点就像一个个调皮的 “小捣蛋鬼”，严重阻碍了直接的近场测量，使得研究人员难以获取关键的信息。这两个问题就像两座难以翻越的大山，横亘在科研人员的面前，限制了该领域的发展。
为了攻克这些难题，来自北京大学、北京理工大学等多所高校的研究人员携手合作，展开了一场充满挑战的科研之旅。他们的研究成果发表在《Nature Communications》上，为拓扑光子学领域带来了新的曙光。
研究人员主要采用了以下关键技术方法：首先，利用电子束光刻技术制备实验样品，在 150 nm ITO 涂层的二氧化硅玻璃基底上，依次沉积 2 nm 钛（Ti）层和 30 nm 金（Au）膜；其次，使用光发射电子显微镜（PEEM）对样品进行近场成像和光谱测量，获取拓扑态的近场分布信息；此外，还运用飞秒激光和时间分辨 PEEM 仪器对等离子体间隙模式的动力学进行测量。
下面来看看具体的研究结果：
- 等离子体二聚体 - 波导结构：研究人员提出通过改变连接波导宽度来控制相邻等离子体纳米结构之间耦合强度的方法。制备了一系列不同连接波导宽度的金纳米盘二聚体，实验发现，随着连接波导宽度增加，远场透射光谱中等离子体共振峰发生蓝移，近场光谱峰值也向短波长方向移动，且近场峰值移动速度略快于远场。同时，通过选择合适的激发波长，该结构能有效抑制间隙场增强，实现近场等离子体观察。例如，在入射波长为 760 nm 时，二聚体两端有两个热点；820 nm 时，二聚体两端和连接波导处有三个热点。此外，测量还发现随着连接波导宽度增加，去相位时间增加，这一现象在远场无法观测到123。
- AAH 纳米链中的耦合强度：研究人员将多个金连接波导和金纳米盘组合形成纳米链，构建了 AAH 模型哈密顿量（Hamiltonian）。通过调整连接波导宽度（Wn）和纳米盘半径（Rn），可以构造出不同结构，展现出多种有效哈密顿量。在开放边界条件下，AAH 纳米链会出现拓扑边缘态（TESs），其能量位于非平凡带隙中。通过计算不同纳米链长度（N）和参数?下的左、右边界纳米盘归一化强度比例，以及纳米链的归一化激发分布，研究人员发现随着纳米链长度增加，等离子体拓扑纳米盘链的对称和非对称边界模式会发生转变，对应 AAH 模型中参数?值的变化。实验测量了两组不同参数的 AAH 金纳米盘链，结果与理论计算相符，展示了 TESs 在不同?值下的出现和消失，体现了合成维度模拟高维系统的特性456。
- 交错平凡纳米链：研究人员通过将连接波导沿 y 轴移动，打破 y 镜面对称性，诱导左右圆偏振之间的耦合，实现了偏振复用。在交错纳米链实验中，当左旋圆偏振（LCP）光入射时，只有偶数编号的纳米盘被激发；右旋圆偏振（RCP）光入射时，只有奇数编号的纳米盘被激发，形成 “亮暗” 或 “暗亮” 模式。基于此，研究人员推导出一种偏振复用策略，可以在一个结构中编码两组信息789。
- 偏振复用成像：研究人员将拓扑 AAH 纳米链和交错平凡纳米链的特性相结合，实现了偏振复用成像应用。构建了一种二维成像结构，在 x 方向连接两个具有相反τ值的 AAH 纳米链，通过调整边界连接波导宽度（WB′）和边界纳米盘半径（RB′），可以调制边界态的空间分布；在 y 方向引入纳米棒，削弱纳米盘之间的耦合，通过交错 y 波导实现像素级偏振复用。该结构在 LCP 光激发下显示 “L” 图案，RCP 光激发下显示 “R” 图案，证明了在实空间直接成像的可行性，为光的偏振自由度探索提供了新方向101112。
研究结论和讨论部分指出，该研究成功实现了具有 AAH 配置的超紧凑片上集成等离子体拓扑绝缘体，通过 PEEM 直接获得了 TESs 的近场分布。连接波导不仅抑制了相邻纳米盘之间由间隙引起的场增强，还能有效调制耦合强度。此外，研究人员发现了纳米链边界模式的转变，并实现了 TES 偏振复用成像。这项研究为光学微纳尺度 AAH 模型中控制合成维度的基础研究和实际应用做出了重要贡献，有望推动基于此的高效传感器设计、稳健的拓扑量子计算和信息传输以及可重构拓扑绝缘体等领域的发展，为等离子体拓扑光子学开辟了新的可能性，让我们在探索光的奥秘和开发新型光子器件的道路上又迈出了坚实的一步。
