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光线绕弯好处多
光线绕弯会发生许多有趣的现象，隐身衣就是其中一例。陈红胜等曾在2013年制造出一种可见光波段的隐形器件，让金鱼、猫等动物在人眼前遁形。“我们能让光像流水一样，在物体表面不发生散射，而像溪水流经石头，顺着石头的形状绕过去，继续按照原来的传播方向前进。”陈红胜说。“没有散射光的情况下，人眼就识别不出物体了。”
在科学家希望隐形的名单中，材料的杂质、缺陷占据着重要位置。电磁波在光波导、或者在介质交界面传播时，“途中”遇到的杂质、缺陷，都能让电磁波发生散射，导致传输效率下降。“如果能设计出一种新型波导，让这些散射因素‘隐形’，将大大提升传输效率，在未来会有重大的应用前景。”陈红胜说。
一条金鱼在可见光波段的隐形装置中进出。
在很多器件中，电磁波必须绕着弯走。“在目前的技术体系中，一旦转弯幅度大，电磁波就会发生散射，影响传输效率。转弯幅度小，就不利于节省空间。”一位从事电磁波研究的科学家认为，这是实现未来光子芯片的一项巨大的挑战。“我们希望‘急转弯’的时候，也要不发生散射。”
为光子“筑”路
从电子体系到光子体系，从二维到三维，研究对象存在许多本质区别，实验遇到了前所未有的困难。一开始，课题组甚至没有现成的实验设备去测量。
杨怡豪巧妙地提出设计了一种由多个开口谐振器构成的单元结构。“这是‘高速公路’的路基，也是实验成功的关键。”陈红胜说。最终，联合课题组首次实现了三维光学拓扑绝缘体，它具有宽频带拓扑能隙。这种三维光学拓扑绝缘体，可以用印刷电路板技术制作完成。
课题组设计了一种由多个开口谐振器构成的单元结构。
三维世界光子的“高速公路”，是“Z”字形的。表面波在界面传播时，能够无障碍绕过Z型拐角。“通过对材料内部及表面电磁场分布成像，我们观测到了该材料的三维能隙，以及具有二维狄拉克锥形式的表面态——这些正是三维光学拓扑绝缘体的关键特征。”杨怡豪说。
“对表面波来说，这些拐角就像被隐形一样，而能够绕过拐角实现高效地传播，这正是受益于三维光学拓扑绝缘体的拓扑保护特性。”陈红胜说。这便是“光子高速公路”的神奇之处。“在这条高速公路上，无论道路多么曲折，光子都能一往无前。”杨怡豪说。“这就能避免光发生散射导致信息耗散的问题。”
“我们的工作首次赋予了三维光子带隙以拓扑性质，也就是说，将来可以像三维拓扑绝缘体控制电子一样用三维拓扑光子晶体来控制光子。”合作研究者Baile Zhang教授说。杂志审稿人认为，实验实现光学拓扑绝缘体非常重要，这将推动相关新兴领域的发展。
陈红胜认为，这项研究首次将三维拓扑绝缘体从费米子体系扩展到了玻色子体系，并可能应用于三维拓扑光学集成电路、拓扑波导、光学延迟线、拓扑激光器以及其他表面电磁波的调控器件等。
*出自于浙江大学陈红胜教授课题组和新加坡南洋理工大学BaileZhang教授、Yidong Chong教授*
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