光子反铁磁拓扑绝缘体实现单表面狄拉克锥的突破性发现及其在自旋电子学中的应用

研究人员针对反铁磁拓扑绝缘体(AF TI)表面狄拉克锥观测难题，通过构建三维光子AF TI体系，首次实验观测到S对称性保护的单个狄拉克锥表面态，并证实其对随机磁无序的强鲁棒性，为拓扑光子器件开发开辟新路径。

　　

在凝聚态物理和光子学交叉领域，反铁磁拓扑绝缘体(AF TI)因其独特的磁序与拓扑特性结合而备受关注。这类材料理论上应具备单表面狄拉克锥的奇异特征——这是强三维拓扑绝缘体(3D TI)的标志性现象，但受限于实验技术，该特征在电子体系中长期未被直接观测。更棘手的是，电子系统的Kramers定理无法直接移植到光子体系，使得玻色子AF TI的探索长期停滞。

针对这些挑战，中国的研究团队在《SCIENCE ADVANCES》发表突破性成果。他们创新性地设计出三维光子AF TI结构，通过堆叠具有交替陈数的二维光子陈绝缘体层，构建出具有S对称性（时间反演与半晶格平移的组合对称性）保护的体系。该研究首次在实验上捕获了k_z=π/h平面上的单狄拉克锥表面态，并揭示其对平均保持S对称性的随机磁无序的惊人稳定性。

关键技术包括：1）基于YIG（钇铁石榴石）棒与穿孔金属板构建可调控磁序的六方晶格单元；2）威尔逊环方法计算Berry相位谱流验证?₂拓扑不变量；3）傅里叶变换场分布测绘技术实现体态与表面态能带重构；4）通过可控磁极翻转建立磁无序模型。

【研究结果】

1. 三维光子AF TI设计：
   通过交替磁化的YIG棒阵列与耦合层构建类A型反铁磁构型，第一性原理模拟显示k_z=π/h平面存在?₂非平庸拓扑带隙（图1C）。区别于电子体系，光子AF TI的S²=-1特征出现在k_z=π/h而非k_z=0平面。

2. 表面态直接观测：
   在(010)表面测得15.72GHz的狄拉克点（图3F），其等频线呈现从点状到椭圆状的演化（图3G），场分布证实表面局域特性（图3C）。Berry相位谱流与表面态色散的同伦关系印证体-边对应原理（图3D）。

3. 无序鲁棒性验证：
   即使15%磁矩随机翻转（图4D-F），表面态传输仍保持带隙内高透射率（图4B），等频线分析显示无背向散射（图4G-I），符合量子霍尔临界态理论预期。

该研究开创性地将AF TI拓展至玻色子体系，解决了电子体系难以观测S对称表面的技术瓶颈。其意义在于：1）首次实现具有奇数表面狄拉克锥的强3D光子TI；2）为轴子电动力学（θ=π量子化）研究提供新平台；3）通过可编程磁无序验证了拓扑保护机制。这项工作为探索1651种磁群衍生的新型光子拓扑态奠定了基础，未来或可推广至太赫兹波段，推动拓扑光子器件在信息传输与量子计算中的应用。