拓撲光子晶體與超構光子學（特邀）

張碩實，何辛濤，陳曉東，董建文

（中山大學物理學院光電材料與技術國家重點實驗室，廣州 510275）

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隨著信息技術的發展，微納光場的調控和處理技術逐漸受到人們的重視。集成光學是開展微納光場調控研究的重要體系，研究人員在集成光學中展示了許多有趣現象，并提出了各種實際應用諸如全光開關、光邏輯門和集成光電路。但與此同時，一些基本問題也制約著光信息技術的進一步發展，其中一個重要問題就是由制造誤差引起的不可忽略的光散射損耗。為了克服這一問題，人們除了改進制造工藝外，還嘗試從物理原理上取得突破。而拓撲光子學是解決上述散射損耗問題的一種新方法。拓撲學起源于數學，它是研究幾何圖形或空間在連續改變形狀后保持不變的性質的學科。例如，閉曲面是以“洞”的個數來分類的，定義為虧格。虧格在形變過程中保持不變，不會撕裂或合并。因此將拓撲學引入光子學可以描述對某些擾動具有抗散射特性的現象，有望實現對缺陷、無序免疫的光傳輸現象。

拓撲光子學啟發自最初在固體物理學中理解物質拓撲相的思想，這個領域的研究始于1980 年KLITZING K V 等在實驗上觀察到的量子霍爾效應［1］。他們先對二維電子氣施加周期性磁場再施加電場，觀察到了類似傳統霍爾效應的電流，實驗發現霍爾電導率是磁場的函數且恰好是e2/h的整數倍，這就是整數量子霍爾效應。隨后THOULESS D J 等給出了相應的理論解釋［2］，霍爾電導率中的整數部分與系統的一個拓撲不變量有關，這個拓撲不變量就是陳數（陳省身數）。……