无绝缘体拓扑光子多车道高速公路

《Nature》：Insulator-free topological photonic multi-lane highways

　　

摘要

光子结构中的拓扑保护机制能够实现不受结构缺陷影响的稳定单向传播^{1，2，3，4，5，6，7，8，9，10，11，12，13，14，15，16，17，18，19，20}。然而，传统的实现方式是通过具有狭窄导引通道的拓扑绝缘体界面来获得这种保护，这导致大部分绝缘体体积无法用于传输。这在拓扑稳定性与空间占用之间造成了根本性的权衡^{21，22，23，24，25}。在此，我们提出了一种无需绝缘体的拓扑波导架构，消除了这种权衡，实现了具有100%空间利用率和拓扑保护的多通道单向光引导。通过在旋磁蜂窝光子晶体中巧妙结合时间反演对称性和反演对称性破缺，我们在平凡绝缘体相与切尔绝缘体相之间的不同临界转变边界处，实现了四种不同的光子谷半金属^26，27。我们将这四种结构以并行环形配置排列，使得每个区域同时作为谷选择型波导以及相邻区域中另一种谷的拓扑屏障，从而无需额外的拓扑绝缘体层。我们的实验和理论结果表明，这种多通道配置将传统的边缘态转变为密集排列的大面积单向模式。这些模式在四个区域之间交替呈现单向性，同时在面对任意尖锐弯曲和显著形状变化时仍能保持稳定性。这项工作为设计超紧凑的拓扑光子电路提供了思路，有望应用于高密度集成光学领域。