项目来源

国家自然科学基金(NSFC)

项目主持人

陈红胜

项目受资助机构

浙江大学

项目编号

61975176

立项年度

2019

立项时间

未公开

研究期限

未知 / 未知

项目级别

国家级

受资助金额

63.00万元

学科

信息科学-光学和光电子学-光子与光电子器件

学科代码

F-F05-F0502

基金类别

面上项目

关键词

光子拓扑绝缘体 ; 高阶拓扑 ; 三维狄拉克点 ; 霍尔效应 ;

参与者

沈炼；邱彩玉；阎清晖；钱超；张莉；王婵；贺梦佳；陈巧璐

参与机构

未公开

项目标书摘要：光子拓扑绝缘体是近年来光子学及凝聚态物理领域发展出的新型交叉前沿方向，在基础理论及工程应用上还存在诸多科学难题和技术挑战，包括三维光子拓扑绝缘体难以设计和制备、工作频带窄、高阶光子拓扑绝缘体的边界态和角态的机理有待进一步挖掘且难以实验验证等。本项目拟针对上述关键问题开展高阶光子拓扑绝缘体奇异特性及实验研究，从高阶光子拓扑绝缘体的电磁单元结构设计着手，重点研究高阶三维拓扑绝缘体边界态及角态的形成机理、传播特性以及拓扑保护属性；寻找双各向异性介质单元与工作频带带宽的关系；开展微波段高阶三维拓扑绝缘体的实验研究并探索拓展到太赫兹以及光频段的可行性；探讨基于光子拓扑结构的光波导、光学延迟线以及其他表面电磁调控器件的实现方案。本项目获得的研究成果将丰富光子拓扑绝缘体的理论基础；所发展出的新颖实验分析方法将有力地促进拓扑光学器件的实用化，并推动拓扑光子学和新型电磁材料领域的进一步发展。

Application Abstract: Photonic topological insulator that arises from photonics and condensed matter physics is a vigorous field in photonics and electromagnetics.Recently,this emerging subject faces various challenges,such as the limited fabrication technology of three-dimensional photonic topological insulators,narrow frequency bandwidth,the latent mechanism of edge state and corner state in high-order photonic topological insulators and so forth.According to those challenges,our project aims at extraordinary properties and experimental study of high-order photonic topological insulators.Starting from the design of unit cell of high-order photonic topological insulators,we focus on the formation mechanism,propagation characteristics and topological protection properties of edge states and corner states of high-order three-dimensional topological insulators,and study to operate the connection between the bi-anisotropic medium unit cell and the frequency bandwidth.We will carry on the corresponding experiments in microwave regime and expand it to the terahertz and optical regime.The final goal of the project is to provide valuable guidance for design of future topological novel devices.Based on those works,we discuss the possibility of the realization of optical waveguide,optical delay line and other surface wave electromagnetic devices.The obtained results might enrich the theory of photonic topological insulators.Moreover,the novel experimental methods are potential promotion to the application of topological optical devices,and play an important role in the development of topological photonics and electromagnetic materials.

项目受资助省

浙江省

项目结题报告(全文)

光子拓扑绝缘体是近年来光子学及凝聚态物理领域发展出的新型交叉前沿方向，在基础理论及工程应用上还存在诸多科学难题和技术挑战，包括三维光子拓扑绝缘体难以设计和制备、工作频带窄、高阶光子拓扑绝缘体的边界态和角态的机理有待进一步挖掘且难以实验验证等。本项目针对上述关键问题开展高阶光子拓扑绝缘体奇异特性及实验研究，从高阶光子拓扑绝缘体的电磁单元结构设计着手，重点研究高阶三维拓扑绝缘体边界态及角态的形成机理、传播特性以及拓扑保护属性；寻找双各向异性介质单元与工作频带带宽的关系；开展微波段高阶三维拓扑绝缘体的实验研究并探索拓展到太赫兹以及光频段的可行性；探讨基于光子拓扑结构的光波导、光学延迟线以及其他表面电磁调控器件的实现方案。通过项目的研究我们取得了很多重要的研究结果，我们通过数值分析和实验测试，验证了伪自旋拓扑边界态在急剧扭曲的拐角、随机缺陷和通道交叉点处的鲁棒传输。该结构具有平面形式，较薄厚度和出色的电屏蔽功能，为今后在集成平台中调节拓扑态铺平了道路。同时我们实验实现了理想的高阶外尔光子晶体，其支持二维费米弧表面态和一维费米弧棱态，为多维度(包括二维表面和一维棱)电磁波的鲁棒传输和调控提供了理想的光学平台。此外，该工作首次实验得到了拓扑荷为2的三维狄拉克点和手性拓扑荷为0的二维节点表面。该工作拓宽了对高阶外尔半金属和Stiefel-Whitney拓扑相的理解，并建立了一个理想的光子平台来探索与高阶外尔点相关的奇异物理现象。.项目组在近4年内在国际知名杂志上发表了高质量SCI论文76篇，其中在NCS子刊上共发表 18篇，包括:Nature Physics1篇,Nature Photonics1篇,Nature Materials1篇,Nature Communicat ions13篇,Science Advances2篇。出版专著3部；发表专利3个；关于人工电磁材料中逆切伦科夫辐射的发现及机理的研究成果获得浙江省自然科学奖一等奖(第一完成人)。电磁隐身衣的机理及实验研究成果荣获教育部自然科学奖一等奖(第一完成人)。