“2017中國光學十大進展”發布會于3月13日晚在上海舉行。我校物理學院董建文教授研究組“能谷光子晶體中的贗自旋和拓撲調控”研究成果，成功入選了“2017中國光學十大進展”。該獎項旨在介紹國內科研人員在國際知名學術期刊上發表的與光學相關的具有重要學術與應用價值的論文，分別面向基礎研究與應用研究，促進其研究成果在國內的推廣傳播。該獎項前身為“中國光學重要成果”，歷時12年，已經遴選出中國光學重要成果275項。這一獎項，已經在學術界被廣泛認可。

光場調控是對電磁波的位相、偏振、振幅等經典自由度實現有效調控。近年來，人們開始轉向關注多個自由度之間的耦合，尤其是拓撲光學中諸如自旋、軌道、能谷、渦旋光場等新自由度的關聯調控。拓撲光學體系中類量子化的電磁關聯行為，有利于探索新型光傳輸、實現精確光場調控如單向抗散射傳輸、光延遲、光學外爾點等新現象，也有利于拓撲量子計算、非線性光學、拓撲信息學等領域和學科的發展。

2017年，董建文教授團隊與加州大學伯克利分校張翔教授課題組合作，通過構建能谷光子晶體（圖2），利用“能谷-贗自旋”耦合，預言了光子能谷霍爾效應，實現了贗自旋單向傳輸等一系列拓撲光學新現象。相關工作發表在Nature Materials [16, 298 (2017)]上。

能谷光子晶體示意圖

該能谷光子晶體具有電磁對偶對稱性，在空間反演破缺的條件下，由于能谷-贗自旋相互作用實現了能谷附近的能帶劈裂，支持光學贗自旋-路徑關聯傳輸，即光子能谷霍爾效應，如圖2所示。電磁對偶能谷光子晶體具有一對孿生贗自旋，其中贗自旋向上具有同相Ez和Hz，而贗自旋向下則對應反相Ez和Hz。當光源從頂端入射到能谷光子晶體時，沿左下方能谷K傳輸的是贗自旋向下能流，而沿右下方能谷K’傳輸的是贗自旋向上能流。需要說明的是，該能谷光子晶體的所有拓撲不變量均為0，表明該系統的確是拓撲平庸的。至此，利用結構內稟的能谷自由度以及新型能谷-贗自旋相互作用，證明了拓撲平庸體系中的光學能谷霍爾效應，獲得了贗自旋-路徑關聯行為。

光學能谷霍爾效應。（a）能谷-贗自旋鎖定；（b）電場分布。

同時，通過分析該能谷光子晶體內的本征電磁場手征量，這一工作實現了贗自旋能流的單向傳輸。更為有趣的是，文章還在單一體系中，對能谷和拓撲兩個自由度進行獨立調控，實現了全新的拓撲光子界面態。該研究表明，實現有效的拓撲光場調控，將有利于更多基本量子物理問題的實驗證實；同時也為新型光場多維度調控物理及應用，尤其是在光子自旋和軌道角動量運用等方面，帶來新的有益啟示。

董建文教授及其團隊陳曉東專職副研究員為論文的共同第一作者，張翔教授為通訊作者。本工作以中山大學為第一單位，受到國家自然科學基金委基金、廣東省杰青基金、廣東省特支人才計劃、中山大學優秀青年教師培養計劃等資助。

論文鏈接：http://www.nature.com/nmat/journal/v16/n3/full/nmat4807.html