近日，我校光學工程研究團隊與新加坡南洋理工大學等單位合作，成功實現了首個三維光學軸子絕緣體的誕生，并實驗觀測到一系列新穎特征。相關成果以“Photonic axion insulator”為題于2025年1月10日在《Science》上發表。我校太阳成集团tyc234cc王紅成教授團隊成員郗翔博士為論文共同第一作者，孟岩副研究員為合作作者，太阳成集团tyc234cc為第三完成單位。

據悉，軸子絕緣體作為一種新興的三維拓撲材料在凝聚态物理中備受矚目。軸子絕緣體最重要的物理特征是棱上存在受拓撲保護的手性棱态（chiral hinge state）。這種手性棱态可沿三維空間中任意方向進行傳播，為編織複雜的光傳播提供了新的視角。然而，迄今為止，三維軸子絕緣體尚未在任何體系中被發現。

圖1：光學反鐵磁拓撲絕緣體和光學軸子絕緣體的表面态

圖源：Science

論文作者通過實驗證明了三維光學軸子絕緣體可以通過在光學反鐵磁拓撲絕緣體中破缺鏡像反射對稱性來實現。反鐵磁拓撲絕緣體的出現需要破缺體系的時間反演對稱性，其最大的特點是側面存在具有單一狄拉克錐的表面态（如圖1左圖所示）。論文作者通過将具有相反陳數的二維光學陳絕緣體沿z方向交替堆疊，首次在光學體系中實現了反鐵磁拓撲絕緣體，并在實驗中觀測到了之前從未實現過的具有單一狄拉克錐的表面态。進一步地，通過破缺沿z軸的鏡面反射對稱性，使得反鐵磁拓撲絕緣體發生拓撲相變，變成軸子絕緣體。不同于反鐵磁拓撲絕緣體由鏡面陳數保護，軸子絕緣體由量化的軸子場（θ = π）保護。量化的軸子場将打開原本無能隙的表面态（如圖1右圖所示），從而使得軸子絕緣體的兩個相鄰表面分别具有相反的表面陳數。這種相反的表面陳數導緻軸子絕緣體的棱上存在手性棱态。手性棱态能夠有效引導光在軸子絕緣體的棱上單向傳播，且不會發生任何背向散射。此外，隻需簡單調整光子晶體的層數，即可實現手性棱态沿着三維空間中的任意方向傳播，從而在三維空間中編織出複雜的紐結和鍊環。這項研究為我們在光波的魯棒操控和新型光學器件的開發開辟了廣闊的前景，預示着拓撲光子學在未來科技中的重要應用價值。

論文鍊接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adr5234（圖文：郗翔；一審：孟岩 劉晔；二審：王紅成；三審：張兆雲 胡耀華）