拓?fù)涞母拍钔卣沟焦鈱W(xué)，形成了拓?fù)涔庾訉W(xué)這一新興研究領(lǐng)域，近幾年不斷開拓，蓬勃發(fā)展。最近，高階拓?fù)浣^緣體（HOTI）由于其打破了傳統(tǒng)的體邊對(duì)應(yīng)關(guān)系，在光學(xué)和光子學(xué)領(lǐng)域也引發(fā)了研究熱潮，有望為開發(fā)新一代半導(dǎo)體激光等光學(xué)器件帶來新思路。然而，目前所有關(guān)于高階拓?fù)涞膶?shí)驗(yàn)研究都局限在低軌道（s軌道）能帶的體系中。

軌道自由度在研究凝聚態(tài)體系的基本性質(zhì)以及新奇物態(tài)（包括軌道超流和拓?fù)浒虢饘伲┑确矫娑及l(fā)揮關(guān)鍵作用，引入軌道自由度可以引發(fā)和揭示許多新穎的物理現(xiàn)象。由于真實(shí)材料中電子的軌道自由度難以操控，很多研究都基于人工材料體系，比如光子晶體和超冷原子。

那么，是否能利用人工合成的光學(xué)平臺(tái)來實(shí)現(xiàn)源于高軌道能帶的高階拓?fù)浣^緣體呢？

近日，南開大學(xué)物理學(xué)院/泰達(dá)應(yīng)用物理研究院陳志剛、許京軍教授領(lǐng)導(dǎo)的課題組與南開大學(xué)特聘教授/克羅地亞薩格勒布大學(xué)教授Hrvoje Buljan課題組合作, 在我國科技期刊卓越行動(dòng)計(jì)劃高起點(diǎn)新刊eLight上報(bào)道了在拓?fù)涔庾訉W(xué)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)新型高階光子拓?fù)浣^緣體的最新科研成果。

研究成果以“Realization of photonic p?orbital higher?order topological insulators”為題在線發(fā)表在eLight。

本工作以南開大學(xué)為第一完成單位，共同第一作者包括南開大學(xué)碩士研究生張亞輝、外籍博士后Domenico Bongiovanni，博士生王孜騰和王向東， 后兩位曾獲國家級(jí)創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目資助，在南開大學(xué)本科期間就參與該課題組研究。合作者還包括物理學(xué)院博士后夏士齊、博士生胡志嬋、教授宋道紅，和加拿大國立科學(xué)研究院教授Roberto Morandotti等。相關(guān)工作得到了南開大學(xué)牽頭的科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目和國家自然科學(xué)基金委重點(diǎn)項(xiàng)目的資助。

基于光子晶格平臺(tái)，在具有特殊對(duì)稱性的籠目（Kagome）晶格中，研究人員首次在實(shí)驗(yàn)上觀測(cè)到p軌道高階拓?fù)浣菓B(tài)以及非線性誘導(dǎo)的角態(tài)旋轉(zhuǎn)，并且在理論上提出了利用廣義纏繞數(shù)來刻畫體系的拓?fù)浞瞧接剐再|(zhì)，創(chuàng)新發(fā)現(xiàn)了p軌道拓?fù)浣菓B(tài)的魯棒性除了需要傳統(tǒng)的廣義手性對(duì)稱性保護(hù)，還需要p軌道系統(tǒng)中獨(dú)有的軌道耦合對(duì)稱性。

該工作展示了高階拓?fù)渑c軌道物理的有機(jī)結(jié)合，以及非線性對(duì)高階軌道角態(tài)的動(dòng)態(tài)調(diào)控，為探索具有軌道自由度的拓?fù)潴w系提供了新的研究平臺(tái)，同時(shí)也為研發(fā)拓?fù)錅u旋波導(dǎo)和拓?fù)浼す馄鞯裙鈱W(xué)器件鋪墊了基礎(chǔ)。

圖1：籠目(Kagome)光子晶格中的p軌道高階拓?fù)浣菓B(tài)的產(chǎn)生與非線性調(diào)控示意圖。虛線三角形標(biāo)記了一個(gè)由三個(gè)子晶格（A、B 和 C）組成的晶胞，t?、t?分別表示晶胞內(nèi)和晶胞間的耦合幅度。每個(gè)晶格點(diǎn)對(duì)應(yīng)一個(gè)激光寫入的波導(dǎo)，支持p軌道模式（見左插圖）。右側(cè)插圖標(biāo)記兩種類型的軌道耦合。在籠目晶格的頂部，描繪了一個(gè)魯棒的p軌道“角態(tài)零能模”，盡管由非線性驅(qū)使會(huì)旋轉(zhuǎn)，卻受廣義手征對(duì)稱性和軌道耦合對(duì)稱性保護(hù)。

eLight是國際頂尖光學(xué)期刊/我國科技期刊卓越計(jì)劃領(lǐng)軍期刊Light: Science & Applications的姐妹刊，由Light原班編輯團(tuán)隊(duì)打造，僅發(fā)表光學(xué)交叉領(lǐng)域最頂尖、最具重磅影響力的科研工作。之前，南開大學(xué)講席教授陳志剛和以色列理工學(xué)院Segev教授為該期刊創(chuàng)刊號(hào)撰寫的展望綜述“Highlighting Photonics: Looking into the next decade”自2021年6月發(fā)表以來，已被下載1.4萬次，引用130多次, 曾獲eLight2022年度最佳下載/引用論文獎(jiǎng).

| 論文信息 |

Zhang. Y., Bongiovanni. D., Wang. Z. et al. Realization of photonic p-orbital higher-order topological insulators. eLight 3, 5 (2023).

https://doi.org/10.1186/s43593-022-00039-7

閱讀原文