近年来，光学拓扑绝缘体是凝聚态物理学研究的热点，具有受到拓扑保护的能带结构，为光场调控提供了很多新颖的机制，如背向散射抑制的单向传输、赝自旋波矢锁定的方向选择性传输、高维度的光场调控等，有望应用于片上拓扑波导和光子集成回路等，在现代光通信领域具有极大的应用前景。

江苏大学机械工程学院光电信息科学与工程系高永锋副教授团队提出由空气背景中的硅介质柱构成拓扑平庸光子晶体，由硅介质基底上空气孔构成的拓扑非平庸光子晶体，两种光子晶体之间存在拓扑相变和能带反转，并构造了由拓扑平庸和非平庸光子晶体构成的盒型组合结构（图1）。在盒型组合结构的模态离散谱中，体态的带隙中存在拓扑边界态和拓扑角态（图2）。研究发现：虽然体态带隙范围内的光无法在体区域传输，但是体态带隙中的拓扑边界态可以沿着不同拓扑区域边界传输，拓扑角态会被局域在组合结构中的拐角位置。图3为体态、边界态和角态的电场分布。

近日，该工作以“Corner states in second-order two-dimensional topological photonic crystals with reversed materials”为题发表在Nature Index期刊Physical Review A上。高永锋副教授为该论文的通讯作者，光学工程硕士生金梦成同学为论文的第一作者，林昊哲、贺奕涵同学和陈明阳教授为论文的共同作者，江苏大学机械工程学院为论文唯一署名单位。

该研究成果已授权中国发明专利（专利号：ZL202111296850.7）。该项工作得到镇江市先进传感材料与器件重点实验室项目(No. SS2018001)，江苏省研究生科研与实践创新项目(KYCX22_3628)和江苏大学大学生实践创新训练项目(202110299419X、202110299423X)的资助。

图1由拓扑平庸和非平庸光子晶体构成的盒型组合结构

图2（a）盒型组合结构的模态离散谱；（b）体探针、边缘探针和角探针测量的电场谱

图3电场分布情况：（a）体态；（b）-（d）边界态；（e）-（h）角态

该工作通过交换光子晶体中介质柱和背景的材料实现了拓扑相变和能带反转，为实现高阶拓扑光子绝缘体提供了一种新思路。利用拓扑平庸和非平庸光子晶体设计两种盒型组合结构，在组合结构的边界和拐角分别观测到拓扑边界态和角态，进一步揭示了角态的形成机制，分析了角态对结构缺陷的鲁棒性。该工作为拓扑光学研究提供了新平台，并将对光学集成器件的设计及其在光通信方面的应用具有重要指导意义。

论文：Meng-Cheng Jin, Yong-Feng Gao*, Hao-Zhe Lin, Yi-Han He, and Ming-Yang Chen. “Corner states in second-order two-dimensional topological photonic crystals with reversed materials”PHYSICAL REVIEW A 106, 013510 (2022)

链接：https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevA.106.013510

DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevA.106.013510