光子无定形拓扑绝缘体

  目前对拓扑绝缘体及其经典波类似物，如光子拓扑绝缘体的认识主要基于拓扑带理论。与此相反，中国和新加坡的科学家在实验中展示了基于玻璃状无定形相的光子拓扑绝缘体，其带结构是不明确的。拓扑保护的持久性也被发现与玻璃到液体的转变密切相关。拓扑和非晶性之间的相互作用为新型非晶拓扑光子带隙材料的研制奠定了基础。

a-b,具有不同结构相关性的粒子图案a和相应的光子晶格b。晶格具有长程有序和短程有序;玻璃状晶格具有较强的短程有序性;类液体晶格产生弱的短程有序。c,用于不同晶格的对相关函数g（r），用于量化结构相关。d,光子晶格的定位长度(黑色曲线)和透射率(红色曲线)。橙色区域表示可以观察到拓扑边缘状态的频率窗口。

拓扑概念的范式转变不仅彻底改变了凝聚态物理，而且在光子学、力学、声学和许多其他领域也打开了一个崭新的篇章。在光子学中，“光子拓扑绝缘体”(PTIs)，作为电子拓扑绝缘体的光子类似物，已经实现了前所未有的令人兴奋的光子功能，如单向光子输运和拓扑激光器。

这些拓扑系统，无论是基于凝聚态物质还是基于光子学，通常从基于周期晶格的带结构中推导出它们的拓扑特性。另一方面，自然界中广泛存在无周期性晶格的光子非晶相(如玻璃、聚合物和凝胶)。这些非晶态系统的性质取决于其原子/分子的短程连接，而不是长程周期性。

在《光科学与应用》上最近发表的一篇论文中，由中国电子科技大学的周佩珩教授和邓龙江教授，南洋理工大学的YiDong Chong教授和张柏乐教授带领的一组科学家，通过实验实现了非晶态PTIs，基于陈氏数PTI的非晶体变型。他们的研究表明拓扑和短程有序之间存在有趣的相互作用，尤其是在玻璃化转变期间。基于陈氏数的PTIs是迄今为止实现的第一类PTI。他们的工作首次使用这种类型的光子结构来研究非晶态PTIs。他们还发现光子拓扑边缘态的消失标志着玻璃化转变。这些见解可能有助于实现其他物理环境，如声学中的非晶拓扑绝缘体。

a,实验装置示意图。顶板上有呈方形晶格的圆柱形孔。探头和源偶极天线(1和2)通过这些孔插入波导。波导的三面包裹着金属壁，作为完美的导电体(PEC)边界。另一面覆盖着微波吸收器。b-e，测量的光子晶格中的|Ez|场分布。拓扑边缘状态从结晶型PTI到非晶态PTI(类玻璃2)持续存在。

非晶态PTI由回旋磁棒组成，这些磁棒以计算机生成的非晶态晶格模式排列，并被磁偏以打破时间反演对称性。通过对铜平行板波导中的PTIs进行边缘/体传输和近场分布测量，实验证明了在玻璃化转变开始前，非晶PTIs中存在稳定的拓扑边缘态。通过将非晶晶格进一步变形为类液相晶格，可以观察到迁移带隙的缩小和拓扑边缘态的消失。研究人员总结了其拓扑系统的特点:

“我们设计的非晶态PTI系统有三个优点:(1)非晶态晶格可以在自然材料中实现，因为它们是由分子动力学方法产生的;(2)从结晶到玻璃状非晶态再到液相的完整匹配产生了对拓扑的整体评估，从拓扑态的出现到消失，并清晰地捕捉到玻璃-液体转变所扮演的角色;(3)此光子平台可用来验证其他非周期光子拓扑材料。

“我们无定形PTIs中短程有序性支持拓扑保护，充分展示了其非凡的大缺陷容忍能力,比如，3倍于晶格常数和90o弯曲,均可以与晶体相媲美”。 

研究人员指出，“该研究提出的方法可用于开发具有所需结构相关性的特定非晶态PTIs，例如在带隙光子晶体中研究的超均匀结构，或监测其他非周期性PTIs，例如准晶体或超材料。因此，我们的发现将对未来研究用于新型光子器件(如拓扑随机激光器)的非晶体拓扑光子材料非常有用。”