《Frontiers of Optoelectronics》期刊近日发表了南京大学固体微结构物理国家重点实验室卢明辉教授课题组撰写的有关拓扑光子晶体研究进展的论文,介绍了基于不同材料基础的拓扑光子晶体,以及基于光子晶体平台最新的物理概念和研究进展。这些研究表明,拓扑光子晶体作为多功能平台在光操纵方面具有巨大的应用潜力。

 

Topological photonic crystals: a review

Hongfei WANG, Samit Kumar GUPTA, Biye XIE, Minghui LU

Front. Optoelectron.. 2020, 13 (1): 50-72.  

 

研究背景

对材料物理特性的深刻理解是科学技术取得重大突破的基础。在过去的几十年里,拓扑光子晶体为光的传播和操纵开辟了一个新的平台。由于存在拓扑特性可控的能带结构,光子晶体产生了各种新奇的物理性质和光学现象,进一步促进了这一领域的发展。

南京大学固体微结构物理国家重点实验室卢明辉教授课题组在本综述论文中,以不同的材料特性为基础对拓扑光子晶体进行归纳总结,基于全介质材料、金属材料、光环形谐振器、耦合波导等在内的一系列耦合平台,总结了拓扑光学调控的最新研究进展。在拓扑光子晶体的物理前沿进展上,论文对一些新的概念,如高阶拓扑光子晶体、非厄米光子晶体和非线性光子晶体,以及机器学习、拓扑Fano共振等进行了基本说明和介绍。相比于电子系统拓扑物理的研究,光学平台具有许多优势,如可控的光子相互作用、丰富的耦合机制、便捷的样品制备和实验测量等。此外,由于拓扑光子晶体根本上是光子系统,一些光学效应如非线性效应、增益与损耗、光传输、各向异性或双各向异性、量子光学等有望进一步加深人们对拓扑输运调控的物理认识,引发人们对未来拓扑光学应用的期待。

 

内容简介

本文阐述了南京大学固体微结构物理国家重点实验室卢明辉教授课题组介绍的拓扑光子晶体领域最新研究进展:基于不同的材料平台,介绍了全介质材料、金属材料,环形谐振腔、耦合波导阵列等系统基本的拓扑光调控物理内涵和奇特的输运现象。最新的拓扑物理概念和交叉学科研究,如高阶拓扑物理、非线性拓扑物理、非厄米拓扑物理、机器学习拓扑器件设计、拓扑Fano共振等,也都进行了基本介绍。这些研究揭示了拓扑光子晶体在操纵光输运方面的巨大应用潜力。

 

 

图文导读

 

 

图1. 光子系统(玻色子)与电子系统(费米子)的对比

图2. 旋磁材料系统拓扑特性[Nature, 2009, 461(7265): 772–775]

图3. 全介质材料以及金属超材料中的外尔点和节线[Nature Photonics, 2013, 7(4): 294–299; Science, 2018, 359(6379): 1013–1016]

 

图4. 激光直写波导系统的Floquet拓扑特性[Nature, 2013, 496(7444): 196–200; Nature Communications, 2017, 8(1): 13918]

 

图5. 光学高阶拓扑绝缘体[Physical Review Letters, 2019, 122(23): 233903]

 

 

图6. 光子强相互作用拓扑特性研究[Physical Review B, 2016, 93(15): 155112; Nature Physics, 2017, 13(2): 146–151]

 

PI简介

卢明辉,南京大学/固体微结构物理国家重点实验室教授、博士生导师,获得国家自然科学基金杰出青年基金,国家“万人计划”科技领军人才,首批中组部青年拔尖人才,江苏省特聘教授,教育部新世纪优秀人才等人才项目支持。曾在斯坦福大学先进材料与能源研究所进行访学和合作研究。2010年获得全国百篇优秀博士论文奖励,现为中国材料协会下属超材料协会常务理事,中国显微仪器仪表协会理事,中国声学学会物理声学分会委员。

研究方向是人工微结构材料和凝聚态光电声功能材料以及器件的设计、制备和应用的研究。从2004年至今研究主要集中在人工带隙材料及其微结构器件。从理论和实验上研究了人工带隙材料中光波和声波的传播规律,发现了声波负折射、回波负折射、声波的双负折射现象以及亚波长声波异常透射现象,并成功地实现了超声波的可调谐负折射成像;实现了声拓扑绝缘体,开拓了人工结构材料拓扑物理现象的研究;和加州理工的合作者开展了关于非厄米光学,非厄米声学领域的研究,实现了波在奇异点处的单向传播现象。在国际核心期刊(SCI)上发表论文250余篇,学术论文被国际国内外同行他引4600余次, H-index为32。发表文章包括Science、Nature Mater.、Nature Phys.、Phys. Rev. Lett.、Nature Commun,、PNAS、 NSR等国内外一流期刊。其中研究成果“在声子晶体中实现声波双负折射”入选2007年度中国基础研究十大新闻,获得2015年国家自然科学二等奖(排名第二)。此外我和实验室的合作者一起一共申请了20余项发明专利,包括一项美国专利,多项专利成果获得转化。 目前为Light Science & Applications杂志南京办公室负责人,Nature系列刊物、APS、AIP等学术期刊的杂志审稿人。