武科大網訊 近日，我校理學院應用物理系青年教師顏貝與南方科技大學等單位合作首次在谷光子晶體中實驗實現了新型拓撲控制光子腔，為魯棒拓撲光子器件增加了新的成員。相關成果以“Realization of topology-controlled photonic cavities in a valley photonic crystal”為題發表在國際物理學頂級期刊《Physical Review letters》上。我校理學院應用物理系青年教師顏貝為該論文的第一作者，我校為論文第二完成單位。

光學微腔能有效地將光長時間限制在小體積內，在現代光子學中發揮著關鍵作用，從低閾值激光器、超小型濾光、光芯片、量子信息處理到光通信都有廣泛的應用。傳統的光學微腔包括法布里-珀羅腔、微環諧振腔和光子晶體腔等。近年來，具有魯棒拓撲保護的拓撲光腔引起了廣泛關注，并在拓撲激光器、集成光子學、光延遲線和量子光學等領域展現出了巨大潛力。最近的一篇理論工作[Phys. Rev. Lett. 125，213902 (2020)]提出了一種基于谷自由近守恒的新型拓撲控制光子腔，該方法是在能谷光子晶體（Valley photonic crystal，VPC）波導的末端放置一個反射鏡來局域谷偏振邊界態。向前傳輸的谷邊界態，遇到反射鏡后需要翻轉它們的谷鎖定動量以實現反射。值得注意的是，這種動量翻轉涉及到由反射鏡的幾何形狀控制的時間延遲。因此，當有效反射時間tr（延長時間延遲）足夠長時，電磁能量被緊緊地限制在鏡面表面，形成亞波長拓撲控制光子腔。然而，由于測量電磁場分布和延遲時間的挑戰，這種新型拓撲控制光子腔仍然難以實驗實現。

在這項工作中，研究團隊在VPC中首次實驗實現了基于谷自由度近守恒的拓撲控制光子腔。通過VPC波導終端放置金屬反射鏡來構建拓撲控制光子腔，金屬反射鏡的幾何形狀和方向決定了谷翻轉率和反射時延。通過微波近場測繪和脈沖傳輸測量，直接觀測了拓撲控制光子腔的電場分布增強和延遲時間。通過實驗證明，不同的反射鏡的方向和形狀會導致谷折射率翻轉所需的不同時間延遲，實現不同程度的能量限制和品質因子。這些結果拓展了拓撲光子學的研究范圍，豐富了光學微腔的基本物理原理。

為了實現此拓撲控制光子腔，該研究團隊在VPC波導的終端放置完美電導體（Perfect electric conductor，PEC）反射鏡，如圖1(a)和圖1(f)-1(g)所示。當向右傳播的谷邊界態遇到PEC時，它有三個不同的散射通道，即VPC1-PEC界面、VPC2-PEC界面和VPC波導。根據PEC反射鏡的方向，可考慮了兩種類型：鋸齒形[圖1(f)]和扶手形[圖1(g)]。圖1(f)[圖1(g)]顯示了鋸齒形（扶手形）終端所對應的超胞結構的色散，綠（藍）線表示由VPC1-PEC界面（VPC2 -PEC界面）支持的平庸界面態的色散，且平庸態存在帶隙 [圖1(f)-1(g)中的橙色區域]，這表明在平庸界面態的帶隙內的谷偏振邊界態遇到PEC反射鏡時，它不能通過上下VPC-PEC通道泄漏。最后一個散射通道是后向散射，需要拓撲邊界態的谷指數從K反轉到K'。因此，谷翻轉率等于拓撲控制光子腔的泄漏速率。有趣的是，已有研究表明，谷翻轉率取決于微擾的拓撲結構，而鋸齒形放置PEC由于谷守恒可以顯著抑制谷間散射。相反，扶手形放置PEC具有更高的谷翻轉率。因此，以鋸齒形方向放置PEC于 VPC波導終端，使谷翻轉率最小化，同時谷邊界態緊密局域于PEC鏡面表面，形成亞波長拓撲控制光子腔。

如圖2（a-c）所示，對于谷自由度近似守恒的鋸齒形拓撲控制光子腔，模擬和測量的電場分布在VPC波導末端PEC附近展現出較大的電場增強，表明鋸齒形的谷贗自旋翻轉速率最小，因此具有很好的場約束和較高的品質因子。相反，如圖2(e-f)所示，扶手形終端的拓撲控制光子腔在靠近鏡面附近沒有明顯的場增強，說明椅形拓撲控制光子腔由于其較高的谷贗自旋翻轉速率而具有超低的品質因子。

最后，研究團隊通過時域脈沖測量直接獲得谷邊界態在不同拓撲鏡面上的反射延遲時間。圖3所示，相比于扶手形拓撲控制光學腔，鋸齒形拓撲控制光子腔具有更長的鏡面反射時間延遲，從而實驗證明了該新型拓撲控制光子腔的物理機制。（理學院）