4月20日，2023中国光学十大进展高峰论坛在浙江省杭州市富阳区开幕，中国激光杂志社发布“2022中国光学十大进展”并举行颁奖典礼。威尼斯wnsr9778李志远教授团队成果荣获“2022中国光学十大进展”提名奖（基础研究类）。
01 导读
威尼斯wnsr9778李志远教授团队提出异质Haldane模型预测了电子体系中单向体态的存在，可实现能量的高通量输运。他们进一步将该模型拓展至光子学领域，在异质磁化的紧凑型二维蜂窝晶格磁光光子晶体中实现了电磁波的长距离、大面积、高通量、强鲁棒性单向体态传输。该研究工作拓展了人们对拓扑物相的认识，丰富了拓扑物态调控的手段，并为开发高通量、强鲁棒性能量输运材料及结构提供新思路。相关成果以“Prediction and observation of robust one-way bulk states in a gyromagnetic photonic crystal”为题于2022年6月21日发表在Physical Review Letters上。
02 研究背景
在拓扑物理系统的众多特性及其现象中，免疫于缺陷、无序和障碍物的强鲁棒性单向传输无疑是最为引人注目，而这种单向传输最早是在电子体系中被提出的，可以用具有时间反演对称性破缺的经典Haldane模型来描述 [Phys. Rev. Lett. 61, 2015-2018 (1988)]。
经典Haldane模型以手性单向边界态为特征，即在体材料/结构的两条平行边界上的单向边界态是沿相反方向传输的。2018年，E. Colomés及其合作者提出改进Haldane模型 [Phys. Rev. Lett. 120, 086603 (2018)]，预测了反手性单向边界态的存在，即在体材料/结构的两条平行边界上的单向边界态是沿相同方向传输的。
可以说，由经典Haldane模型和改进Haldane模型产生的手性/反手性单向边界态仍然是目前实现强鲁棒性单向传输最为可靠的方案。然而，固有的边界态属性使得能量的收集与输运只能局域在二维体材料/结构的边界上进行，这使得能量的高通量输运被限制在较低水平，同时也极大地牺牲了体材料/结构的空间利用率。
由此可见，在二维体材料/结构内实现单向体态传输不仅可以拓展人们对拓扑物理的见识，而且对大面积、高通量、强鲁棒性的能量输运材料/结构的设计与实现具有重要意义。
03 研究创新点
研究创新点一：提出异质Haldane模型，预测电子体系中单向体态的存在
该团队提出了异质Haldane模型，通过比较经典、改进和异质Haldane模型，发现异质Haldane模型不但继承了前两种模型的拓扑特性，而且还产生了可被独立激发的单向体态。在经典Haldane模型中，两套子晶格具有不相等的次近邻跃迁（vij=±1），狄拉克点的简并被打破，从而产生支持手性单向边界态的完全带隙，如图1（a-c）所示。而在改进Haldane模型中，两套子晶格具有相等的次近邻跃迁（vij=+1或vij=-1），狄拉克点的简并没有被打破，但是能带发生倾斜，从而产生反手性单向边界态以及与边界态相关联的沿相反方向传输的单向体态，如图1（d-f）所示。
图1 三种Haldane模型的结构、投影能带及拓扑态示意图
由于边界态与其相关联的体态在空间上相对分离，使得电子可以近乎完美地沿着边界单向传输。而在体材料中，由于双向平庸体态的存在，使得电子在体材料中输运时无法避免背向散射的发生。为解决这一问题，研究人员进一步通过交替堆叠具有相反次近邻跃迁的改进Haldane模型来实现异质Haldane模型，以分离平庸双向体态，使得电子的单向输运不仅可以发生在边界上，还可以发生在体材料中，如图1（g-i）所示。
研究创新点二：拓展至光子领域，实现长距离、高通量、强鲁棒性单向传输
该团队进一步将异质Haldane模型拓展至光子领域，提出在异质磁化二维蜂窝晶格磁光光子晶体中可以实现光子单向体态。与传统磁光光子晶体实验中采用大型磁铁设备实施整体均匀磁化不同，他们利用成对的钕铁硼小磁铁来对每根磁光介质柱施加单独磁化，且翻转磁铁N/S极可以改变磁化方向 [Phys. Rev. B 101, 214102 (2020)]。
这种磁化方案不但可以为满足异质Haldane模型提供所需的磁化需求，而且还可以还人们摆脱对大型磁场设备的依赖，降低磁光光子晶体实验的门槛，同时也可以使整体结构更紧凑、磁化方案更灵活、实验测量更方便。
图2 异质磁化二维磁光子晶体实验样品、投影能带及本征场分布
该团队在异质磁化二维磁光光子晶体中开展了微波实验，测量了电场分布以及透射谱，观测到了单向体态的存在并验证了其传输鲁棒性。
图3 异质磁化二维磁光光子晶体中的场分布、透射谱及电场强度
研究人员进一步在开放的空间中构建了长度为100个晶格常数的长条形磁光光子晶体，展示了即使没有外加金属覆盖层，右端入射的电磁波在无障碍、弱障碍以及强障碍情况下依然均能近乎完美地局域在磁光光子晶体中向左单向传输，实现了电磁波长距离、大横截面积、高能量通量、强鲁棒性单向体态传输。
图4 长距离、大面积、高通量、强鲁棒性单向体态传输
04 总结与展望
该研究工作拓展了人们对拓扑物相的认识，丰富了拓扑物态调控的手段，并为开发高通量、强鲁棒性能量输运材料及结构提供新的思路。如果此模型可以在一些电子材料系统中实现，那么利用强大的拓扑物理原理，具有大电流容量的无电阻和无后向散射的导电传输线就可能成为现实。这将是继超导之后，基于拓扑物理原理的第二种实现无电阻电流传输的技术方案，具有潜在的重大科学技术和社会经济价值。
论文通讯作者为威尼斯wnsr9778李志远教授，第一作者为2019级博士研究生陈剑锋。该研究工作得到了广东省引进创新创业团队项目、国家基金委项目、科技部重点研发项目课题等的资助。
论文链接：https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.128.257401
