南開大學在拓撲光子學領域取得新進展

　　從數學到化學、生物學，再到凝聚態物理、光學，與拓撲相關的現象俯拾皆是。拓撲的概念拓展到光學，形成了拓撲光子學這一新興研究領域，近幾年不斷開拓，蓬勃發展。

　　最近，高階拓撲絕緣體(HOTI）由于其打破了傳統的體邊對應關系，在光學和光子學領域也引發了研究熱潮，有望為開發新一代半導體激光等光學器件帶來新思路。然而，目前所有關于高階拓撲的實驗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體系的基本性質以及新奇物態（包括軌道超流和拓撲半金屬）等方面都發揮關鍵作用，引入軌道自由度可以引發和揭示許多新穎的物理現象。由于真實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平臺來實現源于高軌道能帶的高階拓撲絕緣體呢？

　　近日，南開大學物理學院、泰達應用物理研究院陳志剛、許京軍教授領導的課題組與克羅地亞薩格勒布大學教授Hrvoje Buljan課題組合作, 在我國科技期刊卓越行動計劃高起點新刊《光：快訊》（eLight）上發表了在拓撲光子學領域實現新型高階光子拓撲絕緣體的最新科研成果。

　　基于光子晶格平臺，在具有特殊對稱性的籠目（Kagome）晶格中，研究人員首次在實驗上觀測到p軌道高階拓撲角態以及非線性誘導的角態旋轉，并且在理論上提出了利用廣義纏繞數來刻畫體系的拓撲非平庸性質，創新發現了p軌道拓撲角態的魯棒性除了需要傳統的廣義手性對稱性保護，還需要p軌道系統中獨有的軌道耦合對稱性。該工作展示了高階拓撲與軌道物理的有機結合，以及非線性對高階軌道角態的動態調控，為探索具有軌道自由度的拓撲體系提供了新的研究平臺，同時也為研發拓撲渦旋波導和拓撲激光器等光學器件鋪墊了基礎。研究成果以“Realization of photonic p?orbital higher?order topological insulators”為題在線發表。

　　本工作以南開大學為第一完成單位，共同第一作者包括南開大學碩士研究生張亞輝、外籍博士后Domenico Bongiovanni，博士生王孜騰和王向東，后兩位曾獲國家級創新訓練項目資助，在南開大學本科期間就參與該課題組研究。合作者還包括物理學院博士后夏士齊、博士生胡志嬋、教授宋道紅，以及加拿大國立科學研究院教授Roberto Morandotti等。相關工作得到了南開大學牽頭的科技部重點研發計劃項目和國家自然科學基金委重點項目的資助。

　　據悉，《光：快訊》（eLight）是國際頂尖光學期刊，我國科技期刊卓越計劃領軍期刊《Light: Science & Applications》（IF=20.257）的姐妹刊，由《Light》原班編輯團隊打造，僅發表光學交叉領域最頂尖、最具重磅影響力的科研工作。此前，南開大學講席教授陳志剛和以色列理工學院Segev教授為該期刊創刊號撰寫的展望綜述“Highlighting Photonics: Looking into the next decade”自2021年6月發表以來，已被下載1.4萬次，引用130多次, 曾獲《光：快訊》（eLight）2022年度最佳下載/引用論文獎。

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