三维光子拓扑绝缘体中拓扑狄拉克涡旋模式的首次实验观测

研究人员通过构建三维Kekulé扭曲紧束缚模型的光子晶体，首次在三维光子拓扑绝缘体中实现并实验观测了拓扑狄拉克涡旋（Dirac-vortex）模式。该研究解决了电磁波矢量特性导致的三维拓扑光子结构构建难题，通过微波近场测量直接捕获沿一维涡旋线缺陷传播的鲁棒性光模式，为三维空间光操控提供了新平台。

　　

研究背景与意义

在拓扑物理领域，Kekulé扭曲晶格中的拓扑狄拉克涡旋模式因其在拓扑腔、激光器和光纤等器件中的应用潜力备受关注。这类模式源于狄拉克方程中的质量涡旋（mass vortex）解，具有可扩展模式面积、任意模式简并度等独特性质。然而，电磁波的矢量特性导致三维光子结构的能带分散复杂，传统紧束缚模型（tight-binding model）预测失效，使得相关研究长期局限于二维系统。尽管近期三维声子晶体中已实现一维涡旋弦手性模式，但光子体系的实现仍面临理论和技术挑战。

研究方法与技术

深圳大学的研究团队设计了一种三维类紧束缚金属笼光子晶体，通过引入Kekulé扭曲和受限Mie共振（Mie resonance）实现标量波状能带结构。采用微波近场测量技术，在40层穿孔铜板-介质棒结构中观测拓扑狄拉克涡旋模式。关键技术包括：1）通过位移-旋转介质棒引入非周期性Kekulé扭曲；2）利用金属笼结构约束电磁场实现紧束缚近似；3）傅里叶变换场分布获取模式色散关系。

研究结果

三维Kekulé扭曲蜂窝晶格中的拓扑狄拉克涡旋模式

理论模型显示，当层内耦合强度t_a≠t_b≠t_c时，八重简并双狄拉克点打开三维拓扑带隙（图1d）。在涡旋线缺陷处计算获得一维传播模式（图1e），其电场分布（图1g）显示能量局域于缺陷核心。

三维光子拓扑绝缘体实现

设计的金属笼光子晶体单元（图2a,b）通过调节介质棒位移量m₀和旋转角φ控制耦合。当φ=π/3时，模拟显示18.5-19 GHz拓扑带隙（图2c），涡旋缺陷处存在一维传播模式（图2f），其电场分布（图2g）验证了理论预测。

实验观测与鲁棒性验证

实测传输谱（图3d）显示涡旋模式在带隙内（18.5-19 GHz）传输效率显著高于体态。近场扫描（图3e）直接捕获沿z轴传播的模式，色散关系（图3g）与模拟高度吻合。移除或替换缺陷处介质棒（图4a,b）后，模式传输特性保持不变（图4c-f），证实其对结构缺陷的免疫力。

结论与展望

该工作首次在三维光子拓扑绝缘体中实现拓扑狄拉克涡旋模式，通过金属笼结构成功将紧束缚模型映射至光子体系。实验证实该模式具有缺陷免疫、宽带传播等特性，为三维拓扑光子器件（如波导、激光器）设计奠定基础。未来可拓展至光学频段全介质光子晶体，并探索位错、单极子等其他拓扑缺陷模式。《Nature Communications》的这项研究开辟了三维拓扑光子学的新方向。