近日，物理科学与信息工程学院杨冰教授课题组在拓扑光子学研究领域取得新进展，相关成果以“Constructing helical edge states with two-dimensional C₆ and C₆-like symmetric photonic crystals（《利用二维C₆和类C₆对称光子晶体构建螺旋边界态》）”为题发表在物理学类重要期刊《Physical Review B》（《物理评论 B》，Nature Index收录）上。

近年来，二维拓扑赝自旋光子晶体中的螺旋边界态引发了人们广泛关注。螺旋边界态的特点在于能实现光波的无损耗单向传输，这为光通信和光计算带来了革命性的应用前景。在此项研究中，课题组以几种不同形状的正多边形棱柱构成的二维C₆对称光子晶体为基础，通过巧妙的设计，部分替换光子晶体原胞中的正多边形棱柱，设计了类C₆对称光子晶体（如图1b和图1c所示）。数值计算表明，即使在C₆对称性破缺的类C₆对称光子晶体中，通过调整棱柱的大小，不同种类的光子晶体也可以形成相似的能带结构（如图1d-1f和图2所示）。将这些C₆对称和类C₆对称光子晶体沿zigzag边界拼接可以构建近似相同的螺旋边界态。通过考察这些螺旋边界态的传输特征，课题组证明了它们具有相同的单向传播特性（如图3所示）。研究结果表明，二维拓扑赝自旋光子晶体中螺旋边界态的形成和性质仅由界面两侧光子晶体的拓扑能带结构和拓扑赝自旋性质决定，而与实际空间中光子晶体中散射体的形状无关。课题组的研究为进一步理解螺旋边界态的形成提供了依据，并为实践中拓扑边界态的调控提供了理论支撑。

图1 C₆对称和类C₆对称光子晶体结构及其能带结构

图2 C₆对称和类C₆对称光子晶体完全带隙变化情况

图3 C₆对称和类C₆对称光子晶体拼接所构成的螺旋边界态及其单向传输特性

该项工作得到了山东省自然科学基金和聊城大学自然科学基金的支持。2019级物理学专业本科生王小龙为论文第一作者，2020级物理学专业研究生隋文杰为论文共同第一作者，杨冰教授为通讯作者，研究生张玉、张紫瑞、姚勇希等参与了部分工作，聊城大学为第一署名单位。

论文链接：https://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/PhysRevB.109.195305

(审稿：刘才龙)