近日，南京大学电子科学与工程学院蒲殷副教授与苏州大学物理学院蒋建华教授团队合作，通过理论计算、原型设计、实验表征相结合的研究方式，首次成功观测到拓扑材料中旋错结构导致的稳健光子局域态和分数电荷，该成果以“Bulk-disclination correspondence in topological crystalline insulators”为题发表于《自然》杂志上（Nature 589, 381-385 (2021)）。
拓扑光子学是凝聚态物理和光学高度融合的交叉课题，为电磁波的调控提供了一种全新的操控平台。对于传统拓扑材料（如拓扑绝缘体、拓扑半金属和拓扑超导体），最显著的物理特征是其能谱的体-边对应关系(bulk-edge correspondence)，常被作为区分和表征拓扑材料的方法。最近十年来，随着物理理论、材料计算和材料制备技术的进步，人们提出并发现了很多由晶体对称性所保护的拓扑材料（即拓扑晶体材料，包含拓扑晶体绝缘体、拓扑晶体半金属、拓扑晶体超导体）。这些材料往往不遵循体-边对应关系，甚至很难通过能谱确定他们的拓扑指标。这成为拓扑物理中实验和材料研究的一大挑战。
旋错是晶体中会自然形成、很常见的一种缺陷结构。在此项工作中，作者设计提出一种基于具有C6对称性的光子晶体的人工光子旋错模型，发现在体-旋错对应关系中，旋错可以诱导出分数电荷（如图1），且分数电荷的值完全依赖于拓扑晶体材料的拓扑指标。由此，可以通过测量旋错诱导的分数电荷判断出材料的拓扑指标。
拓扑绝缘体的体-旋错对应关系
作者指出这种旋错拓扑晶体绝缘体还会存在拓扑诱导的局域态。该局域态具备非常稳定的电磁性能，可作为未来新型光学微腔的设计。他们进一步类比电子系统，利用Purcell效应的经典对应测量光子的局域态密度，并以此间接测得旋错导致的分数化的电荷5/2（如图2）。这些验证和发现为拓扑物理和材料的研究开辟了新的道路和方向，突显了光子晶体和超材料在基础物理研究中的重要价值，为未来构造光拓扑器件原型提供了理论基础。
旋错光子晶体态密度表征和分数电荷计算
此项工作苏州大学刘洋、林志康和南京大学19级硕士生梁树炜和李飞飞副研究员为论文的共同第一作者，苏大蒋建华教授和南大蒲殷副教授为论文的共同通信作者。电子学院18级硕士陶秀锋在实验设计、测量和结果分析等方面做出了重大贡献。该研究工作得到了国家自然科学基金委、江苏省优势学科和中央高校等项目和平台的资助，以及南京大学电子科学与工程学院的大力支持。
（来源：南京大学）
