近日，北京大学物理学院现代光学研究所“极端光学创新研究团队”的王剑威教授、龚旗煌教授团队及其合作者，在可编程拓扑光子芯片上实验观测到了可控各向异性和无序条件下拓扑绝缘体中的多种新奇量子输运现象。研究为深入理解拓扑材料中各向异性、无序、以及拓扑间的复杂物理机制提供了新视角，也为研究新拓扑光子器件与材料提供了新方案。2024年11月7日，相关研究成果以“可编程光学拓扑绝缘体中的各向异性量子输运”（Anisotropic quantum transport in a programmable photonic topological insulator）为题，在线发表于《光学》（Optica）期刊。

图 1可编程拓扑光子芯片结构示意图。右侧是晶体的元胞，蓝色为光波导，黄色为热调电极。

本项研究主要基于北京大学团队此前在拓扑光量子芯片（Nature Photonics 16, 248–257 (2022)，Nature Physics 20, 101-108 (2024)），基于大规模集成光学的完全可编程拓扑光子芯片（Nature Materials 23, 928–936 (2024)）等方面的积累。该拓扑光子芯片能够独立和精确地调节每个微环的共振相位和邻近微环间的耦合强度，可模拟多种不同晶向或应力条件下的各向异性拓扑绝缘体。这一平台为在各种扰动条件下，对拓扑材料边界态和体态输运性质的统计性研究提供了强有力的支持。通过一系列实验，研究团队发现了三种反常的各向异性拓扑输运现象：

图 2新奇的各向异性拓扑输运现象。(a)横纵各向异性拓扑绝缘体中出现的准扩散相。(b)对角-反对角各向异性拓扑绝缘体中，体态相比边界态表现出更强的稳健性。(c)在拉伸引起的梯度各向异性下，沿不同输运路径的边界态有不同的稳健性。

1．异步的安德森相变：在横纵各向异性拓扑绝缘体中，随着无序的增加，系统从拓扑相过渡到安德森相，在两者之间出现了一种新奇的准扩散相。其中，边界态在一个方向上保持高效输运，而在另一个方向上则表现出扩散行为。

2．体态比边界态具有更高的稳健性：在存在传输损耗的各向异性拓扑绝缘体中，与传统认知相悖的是，特定方向的体态输运在输运谱和场分布上都表现出比边界态更高的鲁棒性。。

3．梯度各项异性驱动的新输运路径：通过引入梯度各向异性，模拟拉伸张力下的拓扑绝缘体，研究发现了沿拓扑相变畴壁的新输运路径，其稳健性优于原有的材料边缘的边界态。这与两侧均匀拓扑相时的情况完全不同，说明了梯度各向异性对系统平移对称性的破坏。

图 3 体态输运的更强稳健性。(a)对角-反对角各向异性拓扑绝缘体。(b)扰动下的输运谱，显示体态（绿色）相比边界态（蓝色）有更强的稳健性。(c,d)无扰动(c)和扰动(d)条件下的边界态和体态的实空间光场分布。边界态在扰动下被破坏，而方向性的体态变化很小。

该研究表明，在由无序引发的拓扑绝缘体向安德森绝缘体的相变过程中，各向异性的调控引发了拓扑稳健性和输运特性的复杂变化。此外，在实际具有损耗的材料中，拓扑优势不再是恒定的。研究为设计可实用化拓扑光子器件提供了重要启示，并表明光学系统中的各向异性拓扑输运机制可能同样适用于电子、声学和原子等系统。

北京大学物理学院2021级博士马安琦、2019级博士戴天祥（现香港大学博士后）为论文共同第一作者。王剑威为论文通讯作者。论文主要合作者还包括北京大学胡小永教授，中国科学院微电子研究所杨妍研究员，北京大学物理学院博士研究生茆峻、傅兆瑢。

上述研究工作得到了国家杰出青年科学基金、国家自然科学基金、国家重点研发计划、科技创新2030重大项目，以及北京大学人工微结构和介观物理国家重点实验室、纳光电子前沿科学中心、北京大学长三角光电科学研究院、量子物质科学协同创新中心、极端光学协同创新中心、合肥量子国家实验室等大力支持。

论文原文链接

https://doi.org/10.1364/OPTICA.539301