近日，我校光学工程研究团队与新加坡南洋理工大学等单位合作，成功实现了首个三维光学轴子绝缘体，并实验观测到一系列新颖特征。相关成果以“Photonic axion insulator”为题于2025年1月10日在《Science》上发表。我校电信工程与智能化学院王红成教授团队成员郗翔博士为论文共同第一作者，孟岩副研究员为合作作者，东莞理工学院为第三完成单位。

据悉，轴子绝缘体作为一种新兴的三维拓扑材料在凝聚态物理中备受瞩目。轴子绝缘体最重要的物理特征是棱上存在受拓扑保护的手性棱态（chiral hinge state）。这种手性棱态可沿三维空间中任意方向进行传播，为编织复杂的光传播提供了新的视角。然而，迄今为止，三维轴子绝缘体尚未在任何体系中被发现。

图1：光学反铁磁拓扑绝缘体和光学轴子绝缘体的表面态

图源：Science

论文作者通过实验证明了三维光学轴子绝缘体可以通过在光学反铁磁拓扑绝缘体中破缺镜像反射对称性来实现。反铁磁拓扑绝缘体的出现需要破缺体系的时间反演对称性，其最大的特点是侧面存在具有单一狄拉克锥的表面态（如图1左图所示）。论文作者通过将具有相反陈数的二维光学陈绝缘体沿z方向交替堆叠，首次在光学体系中实现了反铁磁拓扑绝缘体，并在实验中观测到了之前从未实现过的具有单一狄拉克锥的表面态。进一步地，通过破缺沿z轴的镜面反射对称性，使得反铁磁拓扑绝缘体发生拓扑相变，变成轴子绝缘体。不同于反铁磁拓扑绝缘体由镜面陈数保护，轴子绝缘体由量化的轴子场（θ = π）保护。量化的轴子场将打开原本无能隙的表面态（如图1右图所示），从而使得轴子绝缘体的两个相邻表面分别具有相反的表面陈数。这种相反的表面陈数导致轴子绝缘体的棱上存在手性棱态。手性棱态能够有效引导光在轴子绝缘体的棱上单向传播，且不会发生任何背向散射。此外，只需简单调整光子晶体的层数，即可实现手性棱态沿着三维空间中的任意方向传播，从而在三维空间中编织出复杂的纽结和链环。这项研究为我们在光波的鲁棒操控和新型光学器件的开发开辟了广阔的前景，预示着拓扑光子学在未来科技中的重要应用价值。

论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adr5234

（图文：郗翔；一审：孟岩 刘晔；二审：王红成；三审：胡耀华  曾鹏举）