武科大網訊 近日，我校理學院應用物理系青年教師顏貝以“Topological Dirac-vortex modes in a three dimensional photonic topological insulator”為題在《Nature Communications》上發表論文。顏貝為該論文的第一作者，我校為論文第二完成單位。

實空間中的拓撲晶格缺陷與倒空間中的能帶拓撲之間的相互作用催生了許多新奇的拓撲物理現象和廣泛的應用前景，例如拓撲光學腔、激光器、波導、光纖以及合成維度中的三維光學拓撲絕緣體等。特別地，起源于帶質量渦旋狄拉克方程的Jackiw-Rossi零模的拓撲狄拉克渦旋態已在高能物理、凝聚態物理及拓撲物理等諸多領域中引起了廣泛的關注。這歸因于其獨特的物理性質，如可調模式面積、任意模式簡并度、矢量光束發射和大自由光譜范圍等。然而，迄今為止，關于光學拓撲狄拉克渦旋態的研究仍局限于支持零維局域態的二維光學系統，如圖1a 所示。盡管在三維聲子晶體中已經實現一維狄拉克渦旋傳輸模式以及局域于三維狄拉克渦旋缺陷中的零維單極子模式，從而將拓撲狄拉克渦旋模式從二維聲學系統拓展到三維聲學系統。然而，由于三維空間電磁波的矢量特性，拓撲狄拉克渦旋模式能否在三維拓撲光學結構中實現（即使在理論上）仍是一個懸而未決的問題。

為了將拓撲狄拉克渦旋模式從二維光學系統拓展至三維光學系統，研究團隊通過在三維類緊束縛金屬籠光子晶體中引入 Kekulé 畸變，如圖2a-2b所示，每一個介質柱都被周圍的金屬柱包圍以束縛米氏共振，使得三維光子晶體中的矢量電磁波被簡化為標量波，其體帶色散也類似于標量波（如圖2c所示），且與三維緊束縛模型的色散（如圖1d所示）吻合。對三維類緊束縛金屬籠光子晶體施加隨位置變化的非周期性Kekulé畸變，由此引入隨位置變化的質量項，如圖 2e 所示。由此其體能帶帶隙中出現了一維拓撲狄拉克渦旋傳輸模式（紅線），如圖2f 所示。拓撲狄拉克渦旋模式束縛于一維狄拉克渦旋線缺陷并沿其雙向傳播，如圖 2g-2h所示。

利用微波近場成像測量，研究團隊直接觀測到束縛于三維光子拓撲絕緣體中一維狄拉克渦旋線缺陷并沿其傳播的拓撲狄拉克渦旋模式，如圖3所示。此外，研究團隊通過實驗證明，光學拓撲狄拉克渦旋模式對各種缺陷和障礙物表現出強魯棒性，如圖4所示，使得其非常適合在三維空間中進行穩健的電磁波操控。研究團隊的工作不僅首次將光學拓撲狄拉克渦旋態從二維擴展到三維，還為探索由三維拓撲光子晶體中的拓撲晶格缺陷所催生的新穎物理現象和實際應用提供了一個理想的平臺。（理學院）

論文鏈接:

https://www.nature.com/articles/s41467-025-61238-7