Zhiwei Guo, Xian Wu, Yong Sun, Haitao Jiang, Ya-Qiong Ding, Yunhui Li, Yewen Zhang, Hong Chen. Anomalous broadband Floquet topological metasurface with pure site rings[J]. Advanced Photonics Nexus, 2023, 2(1): 016006
量子霍尔效应被证实以后，科学家发现在绝缘体中有一大类特殊的绝缘体，尽管其块体内无低能的电子激发，但在其边缘上却有不需要克服能量的无能隙激发态，并且具有强鲁棒性，这就是拓扑绝缘体。光子拓扑绝缘体是对电子拓扑绝缘体的模拟，这类材料表现为不透光，边界却可以导光。光子拓扑绝缘体的边缘模式沿着结构的边界传播，并且对扰动具有鲁棒性，这一有趣的特性引起了研究人员的广泛关注。
光子拓扑绝缘体中有一类可实现不需要外加磁场的单向传播的边界态，我们称其为Floquet拓扑绝缘体。对于Floquet情形，即便体能带陈数为零, 两个能隙之间依旧存在边缘态——这就是Floquet反常。
目前，具有时间反演对称性的拓扑光子系统已经在多种结构中实现，多样化的耦合谐振环（CRR）阵列为拓扑光子学的研究提供了合适的平台。然而，要实现反常Floquet拓扑绝缘体，CRR阵列在位环之间的耦合需要非常强。常见的解决方案是在两个在位环之间插入耦合环，但这让CRR阵列的构造变得复杂。更重要的是，实现强耦合依赖于耦合环的共振，严重限制了强耦合区的带宽。因此，如何在不引入额外耦合环的情况下，构造宽带的反常Floquet拓扑绝缘体，对拓扑光子学的应用尤为重要。
超构材料/超构表面是由亚波长单元组成的人工材料，为操纵光的传播提供了强大的平台。研究人员已经构建了高性能超构表面，在传输线（平台中实现了特定的光学响应，并在拓扑光子学中实现了广泛的应用。左手介质（LHM）是一种介电常数和磁导率均为负数的人工周期性材料。电磁波在LHM中传播时的相速度和群速度方向相反，因此表现出很多新奇的电磁学性能。
图1 基于右/左手复合谐振环的反常Floquet拓扑绝缘体示意图
谐振环之间的近场耦合方向在Floquet拓扑结构的实现中起着重要作用。通过控制光沿环形谐振腔的路径，顺时针和逆时针传播的电磁模式会产生相反方向的赝自旋。在常规的右手介质（RHM）中，由于切向波矢守恒，耦合方向为正，所以赝自旋的方向翻转。因此，需要在在位环之间插入耦合环，以确保在位环中赝自旋的一致性，如图2(a)所示。但是，当后一个环用LHM替代时，由于其独特的反向耦合机制，无需引入耦合环，赝自旋就能保持一致，如图2(b)所示。
研究人员通过依次连接右/左手复合传输线组成方形谐振环，并且构造了谐振环阵列。每个单独的谐振环具有二重简并模式，对应于二重赝自旋自由度，其中光的顺时针和逆时针传播方向对应相反的赝自旋。通过选择适当的输入端口，可以选择性的激发顺时针和逆时针的模式，即可以激发具有两种不同自旋的边界态，如图3所示。
总之，这项工作用右/左手复合传输线构造了方形的CRR阵列，无需引入额外的耦合环，即可实现反常宽带Floquet拓扑绝缘体。在选择性激发单向边界态的演示实验中，拓扑边界态对各种缺陷具有鲁棒性。该工作进一步丰富了反常Floquet拓扑绝缘体的设计，并为设计新型光子拓扑器件提供了新思路。
郭志伟，同济大学助理教授，硕士生导师。2019年于同济大学获博士学位；2019年至2021年于同济大学从事博士后研究工作；2021年加入同济大学物理科学与工程学院。研究方向包括：拓扑光子学、非厄密光子学、电路基超构材料等，并实现了在新型磁场屏蔽、光子路由、无线传能以及无线传感等多种近场调控方面的应用。目前已在Physical Review Letters、Advanced Photonics、Nature Communications、Laser Photonics Review、Photonics Research等高水平期刊上发表学术论文60余篇。
陈鸿，同济大学特聘教授，博士生导师。1986年于上海交通大学获博士学位。研究兴趣：光子晶体、超构材料、等离激元，以及用于操控经典波和量子波的人工微结构。目前已在Nature Materials、Nature Communications、National Science Review、PNAS、Physical Review Letters、Advanced Photonics等高水平期刊上发表学术论文400余篇。
