近日，我校光学工程研究团队与南方科技大学等单位合作成功在类紧束缚模型的金属笼光子晶体中实验实现了三维光学高阶拓扑绝缘体。相关成果以“Realization of a three-dimensional photonic higher-order topological insulator”为题在《Nature Communications》上发表。我校电信工程与智能化学院王红成教授团队成员孟岩副研究员为论文共同第一作者，郗翔博士为共同通讯作者，东莞理工学院为第二完成单位（第一通讯单位）。

高阶拓扑绝缘体（Higher-order Topological Insulators, HOTIs）作为凝聚态物理与光学交叉领域的前沿方向，因其独特的低维边界态特性备受学界关注。区别于二维HOTI仅能实现一维边缘态和零维角态，三维高阶拓扑相展现出更丰富的维度调控能力——可同时支持二维表面态、一维铰链态和零维角落态，这种多维波操控特性在提升器件集成密度方面展现出革命性潜力。尽管基于紧束缚模型的构建方法已在声子晶体等标量波系统取得突破，但三维光子晶体的构建长期面临理论瓶颈。核心挑战源于电磁波的矢量本质：其本征模式因垂直方向镜像对称性缺失，无法简化为标量TE/TM模式分类，复杂的能带色散特性使得传统紧束缚模型在矢量电磁体系中的映射始终未能突破。论文作者通过创新性设计类紧束缚金属笼光子晶体结构，在国际上首次实现经典三维SSH模型（Su-Schrieffer-Heeger模型）向光学体系的完整映射。该突破性进展不仅填补了矢量电磁波系统高阶拓扑模型的理论空白，更将三维拓扑光子器件的开发推入全新维度，为光量子计算、高密度光子芯片等前沿领域提供了关键理论支撑。

图1：三维高阶光学拓扑绝缘体的设计

图源：Nature Communications

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-58051-7

此外，围绕“拓扑光学与手性光子态调控”研究主线，2024年12月2日，团队还在校级T类二级权威学术期刊《Photonics Research》在线发表了题为 “Magnetically tunable bound states in the continuum with arbitrary polarization and intrinsic chirality” 的研究论文，提出了一种基于磁光晶体实现的可调控本征手性连续体束缚态（BICs）的新方案。该工作通过引入外加磁场打破时间反演对称性（TRS），首次在保持结构不变的前提下，实现了覆盖整个庞加莱球的任意偏振调控，揭示了多维偏振奇异结构的动态可控性；进一步,通过对称性破缺设计，成功构建了具有接近完美圆二色性（>0.99）和超高品质因子（Q≈46,000）的本征手性BICs，在理论上验证了其双面手征发射特性。该成果为发展可调谐手性光子器件、偏振操控元件及高性能拓扑激光器提供了重要理论基础。

文章链接：https://opg.optica.org/prj/fulltext.cfm?uri=prj-12-12-2972&id=564919

（撰稿：郗翔、孟岩； 一审：王红成； 二审：尹华勤； 三审：李长平）