信息时代迅猛发展，人类社会的沟通正变得越来越便捷，而这背后自然离不开通信网络，光通讯就是其中一种。如何不断提升光自身传输的效率，也成了全球科学家关注的焦点。

近日，新加坡南洋理工大学张柏乐教授和Yidong Chong、浙江大学杭州国际科创中心未来科学研究院杨怡豪研究员以及电子科技大学周佩珩教授（共同通讯作者）等基于三维霍尔丹模型，首次实现了三维光学拓扑陈绝缘体，构建了三维的光子“高速公路”，提升了光子的传输效率，有望进一步优化光子芯片、通讯、激光器等领域的器件性能。

目前，该成果以“Topological Chern vectors in three-dimensional photonic crystals”为题已经发表在国际著名期刊《Nature》上。（复制文末链接阅读原文）

#1

搭建三维光子“高速公路”

信息的处理与传输，重构了人类现代社会。杨怡豪研究员告诉我们，一般来说，电子主要用于信息处理，比如存储文件、处理数据等就都需要电子器件来发挥作用；而光子则主要用作信息传输，比如光纤通讯就是光子传输信息的最好例子。

光在本质上是电磁波，光子的传输通道在本质上就是传递电磁波的通道，如果把这条通道比作马路，那么光子就好比是通道上行驶的车辆。大部分情况下，这些“车辆”可能正向行驶，也有可能反向行驶，如果路上再遇上障碍物，一不小心就有可能“堵车”，使得通讯没有那么通畅，从而降低通行速度。

这种情况反映到器件中，障碍物就有可能是器件本身的一些小缺陷，比如加工误差、材料杂质等。这些小缺陷的存在，可能会影响到光子的传输效率。那有没有一种可能，搭建出一条光子“高速公路”，路上所有光子都朝着一个方向传播，并且不受障碍物影响呢？这就是杨怡豪研究员此次的研究成果。

光学三维陈绝缘体的艺术图（课题组提供）

他和合作者们基于三维霍尔丹模型，首次实现了三维光学拓扑陈绝缘体，你可以把它理解为一种新型的光学材料，研究人员用这种新型材料构建出了一条三维光子的“高速公路”，光子在这条特殊的通道里可以实现单向传输，并且不受器件本身缺陷的影响，有效提高了传输效率。

未来，如果这种原理得以完善和推广，就可以有效降低光学器件的加工精度要求，应用在通讯、激光等多个领域。

光学三维陈绝缘体的实验样品图

（©2022 Springer Nature Limited）

#2

自由氛围激发创新灵感

此次在《Nature》正刊发表的成果，并不是杨怡豪研究员在科创中心首次取得佳绩，去年他就和陈红胜老师以通讯作者身份在《Nature Communications》上发表了关于基于扭曲拓扑缠绕的非厄米趋肤效应的相关研究，为研究高阶非互易耦合提供了新思路，并有望应用于高灵敏度传感器、紧凑单向波导、新型放大器等。

作为青年科学家，杨怡豪研究员此前还因首次实验实现三维光学拓扑绝缘体，入选《麻省理工科技评论》中国“35岁以下科技创新35人”（2020）。

他说，成果的产出离不开未来科学研究院陈红胜老师团队自由创新的大环境。陈红胜老师曾经打比方说，做科研就像狩猎，要自己学会找到“兔子”在哪里，勇于试错，不断创新，做好前沿基础研究的同时，积极开展面向国家重大需求的技术攻关。

目前，未来科学研究院陈红胜老师团队布局了新型电磁结构隐身、拓扑电磁学、量子电磁结构三大方向，跨越了经典物理到量子物理，涵盖了电磁科学的多个领域，杨怡豪研究员主要负责其中的拓扑电磁学方向。他说，陈红胜老师总是鼓励大家探索自己感兴趣的方向，并予以全力支持，让年轻人在重大科研项目中担起重任。

自由包容、充分信任、交叉创新，杨怡豪研究员期待，未来在科创中心未来科学研究院，做出更多有学术价值的和产业应用前景的研究，为前沿科学探索贡献力量。