拓扑光纤-构建了可扩展的光子陈绝缘体

对称性的破缺与强化是设计拓扑鲁棒性材料的关键要素。在电子和微波系统中，磁场可打破时间反演对称性，从而构建陈绝缘体。相比之下，在光学频率下，天然材料无法对磁场产生响应，这对拓扑增强型器件的规模化应用构成了挑战。

近日，英国 巴斯大学Nathan Roberts， Peter J. Mosley，Anton Souslov等在Nature Photonics上发文，研究利用掺锗多芯光纤的天然几何结构，通过在制备过程中扭转光纤，构建了可扩展的光子陈绝缘体。

光纤内部的扭转打破了等效时间反演对称性，并诱导产生赝磁场——这一现象通过光子朗道能级得以实验观测。这种扭转光纤，会通过有效折射率的抛物型分布，引入竞争性的拓扑破坏效应。

通过仿真指导实验材料设计，还发现了"黄金区域Goldilocks"参数区间：在该区间内实空间陈数得以存续，从而保证了适用于任何对称类别的制备无序，都具有拓扑保护。

图1：扭转光纤概述

图2：拓扑光纤中，强度边缘局域化

图3：光纤拓扑性质的数值表征

图4：拓扑性质

图5：拓扑光纤中，针对无序的拓扑保护

实验采用“堆叠-拉制"法，在纯石英包层中排布多个高掺锗芯子，形成蜂窝状晶格。拉丝过程中旋转预制棒，使光纤冻结恒定的扭转率。在随动坐标系中，等效于引入了矢量势，即人造磁场，从而打开了拓扑带隙。利用光纤的天然几何特性，实现了可规模化的光子陈绝缘体，在光纤中实现有效时间反演对称性破缺与赝磁场的实验观测。通过结构设计（而非材料本身属性）可以赋予经典波体系以非平庸的拓扑鲁棒性。

参考文献： 中国光学期刊网

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