近日，beat365官方网站現代光學研究所“極端光學創新研究團隊”的王劍威教授、龔旗煌教授團隊及其合作者，在可編程拓撲光子芯片上實驗觀測到了可控各向異性和無序條件下拓撲絕緣體中的多種新奇量子輸運現象。研究為深入理解拓撲材料中各向異性、無序、以及拓撲間的複雜物理機制提供了新視角，也為研究新拓撲光子器件與材料提供了新方案。2024年11月7日，相關研究成果以“可編程光學拓撲絕緣體中的各向異性量子輸運”（Anisotropic quantum transport in a programmable photonic topological insulator）為題，在線發表于《光學》（Optica）期刊。

圖 1可編程拓撲光子芯片結構示意圖。右側是晶體的元胞，藍色為光波導，黃色為熱調電極。

本項研究主要基于beat365團隊此前在拓撲光量子芯片（Nature Photonics 16, 248–257 (2022)，Nature Physics 20, 101-108 (2024)），基于大規模集成光學的完全可編程拓撲光子芯片（Nature Materials 23, 928–936 (2024)）等方面的積累。該拓撲光子芯片能夠獨立和精确地調節每個微環的共振相位和鄰近微環間的耦合強度，可模拟多種不同晶向或應力條件下的各向異性拓撲絕緣體。這一平台為在各種擾動條件下，對拓撲材料邊界态和體态輸運性質的統計性研究提供了強有力的支持。通過一系列實驗，研究團隊發現了三種反常的各向異性拓撲輸運現象：

圖 2新奇的各向異性拓撲輸運現象。(a)橫縱各向異性拓撲絕緣體中出現的準擴散相。(b)對角-反對角各向異性拓撲絕緣體中，體态相比邊界态表現出更強的穩健性。(c)在拉伸引起的梯度各向異性下，沿不同輸運路徑的邊界态有不同的穩健性。

1．異步的安德森相變：在橫縱各向異性拓撲絕緣體中，随着無序的增加，系統從拓撲相過渡到安德森相，在兩者之間出現了一種新奇的準擴散相。其中，邊界态在一個方向上保持高效輸運，而在另一個方向上則表現出擴散行為。

2．體态比邊界态具有更高的穩健性：在存在傳輸損耗的各向異性拓撲絕緣體中，與傳統認知相悖的是，特定方向的體态輸運在輸運譜和場分布上都表現出比邊界态更高的魯棒性。。

3．梯度各項異性驅動的新輸運路徑：通過引入梯度各向異性，模拟拉伸張力下的拓撲絕緣體，研究發現了沿拓撲相變疇壁的新輸運路徑，其穩健性優于原有的材料邊緣的邊界态。這與兩側均勻拓撲相時的情況完全不同，說明了梯度各向異性對系統平移對稱性的破壞。

圖 3 體态輸運的更強穩健性。(a)對角-反對角各向異性拓撲絕緣體。(b)擾動下的輸運譜，顯示體态（綠色）相比邊界态（藍色）有更強的穩健性。(c,d)無擾動(c)和擾動(d)條件下的邊界态和體态的實空間光場分布。邊界态在擾動下被破壞，而方向性的體态變化很小。

該研究表明，在由無序引發的拓撲絕緣體向安德森絕緣體的相變過程中，各向異性的調控引發了拓撲穩健性和輸運特性的複雜變化。此外，在實際具有損耗的材料中，拓撲優勢不再是恒定的。研究為設計可實用化拓撲光子器件提供了重要啟示，并表明光學系統中的各向異性拓撲輸運機制可能同樣适用于電子、聲學和原子等系統。

beat365官方网站2021級博士馬安琦、2019級博士戴天祥（現香港大學博士後）為論文共同第一作者。王劍威為論文通訊作者。論文主要合作者還包括beat365胡小永教授，中國科學院微電子研究所楊妍研究員，beat365官方网站博士研究生茆峻、傅兆瑢。

上述研究工作得到了國家傑出青年科學基金、國家自然科學基金、國家重點研發計劃、科技創新2030重大項目，以及beat365人工微結構和介觀物理國家重點實驗室、納光電子前沿科學中心、beat365長三角光電科學研究院、量子物質科學協同創新中心、極端光學協同創新中心、合肥量子國家實驗室等大力支持。

論文原文鍊接

https://doi.org/10.1364/OPTICA.539301