近日，中山大學物理學院教授董建文團隊成功在時間反演不變的光子晶體系統(tǒng)中觀測到了拓撲保護的反手性表面態(tài)。相關(guān)研究論文發(fā)表于Nature Communications。劉儉偉為該論文第一作者，陳文杰和董建文為共同通訊作者，陳曉東和陳科也對該工作有重要貢獻。

隨著拓撲光子學與集成光子學的融合，大量基于手性邊緣態(tài)的無散射損耗光子器件被設(shè)計出來。近年來，一種有別于傳統(tǒng)手性邊緣態(tài)的新型拓撲光傳輸模式——反手性邊緣態(tài)被提出，并在磁光光子晶體中被觀測。

然而，反手性邊緣態(tài)的實現(xiàn)通常需要打破系統(tǒng)時間反演對稱性，磁光材料的使用難以推廣至可見光波段。因此，在時間反演不變系統(tǒng)中實現(xiàn)反手性邊緣態(tài)將有助于將反手性傳輸現(xiàn)象推廣至微納光學系統(tǒng)，為集成光子系統(tǒng)中的光場調(diào)控提供新方案。

光子晶體原胞結(jié)構(gòu)（a）及俯視圖（b）；（c）實驗樣品照片；（d-f）上、下表面反手性表面態(tài)色散曲線；（g-h）反手性模式的光魯棒傳輸。研究團隊 供圖

針對上述問題，研究人員巧妙地利用縱向?qū)娱g耦合等效實現(xiàn)二維系統(tǒng)中的非互易次近鄰層內(nèi)耦合（等效為在二維系統(tǒng)中引入規(guī)范磁場）。為了在實驗上觀測到反手性光傳輸現(xiàn)象，他們設(shè)計出引入規(guī)范磁場所需要的光學結(jié)構(gòu)并通過將印刷電路板堆疊的方式制備了實驗樣品。利用微波近場掃描技術(shù)并結(jié)合傅里葉分析手段，研究團隊成功測量到了反手性傳輸光模式的光色散曲線與光傳輸單向度譜線。

由于系統(tǒng)規(guī)范磁場可通過光場動量kz控制，研究人員成功觀測到了該時間反演對稱系統(tǒng)特有的動量依賴反手性光傳輸現(xiàn)象，即通過控制動量kz的大小調(diào)控反手性傳輸光模式的傳輸方向。除此以外，通過引入邊界缺陷、轉(zhuǎn)彎結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)當反手性表面態(tài)光場遇到表面缺陷時，光場可以很好的繞過缺陷繼續(xù)傳播而不產(chǎn)生背向散射。由此，研究人員證明了該反手性光傳輸模式具有單向、抗散射的魯棒傳輸性質(zhì)。

該工作首次在時間反演對稱系統(tǒng)中實現(xiàn)反手性表面態(tài)，將有望于將反手性傳輸特性引入集成光子學體系，豐富集成光子芯片的設(shè)計自由度。