日前，東南大學毫米波國家重點實驗室崔鐵軍院士團隊的游檢衛(wèi)研究員等人和英國倫敦大學學院Nicolae C. Panoiu教授合作在拓撲電磁超材料領域取得新進展，設計了具有超快調控速度的現(xiàn)場可編程拓撲電磁超表面，實驗結果表明，現(xiàn)場可編程拓撲導波路徑的動態(tài)切換時間可以達到10納秒級，對應的調控速度比現(xiàn)有的機械調控方法快7個數(shù)量級。相關成果于9月15日以“Reprogrammable plasmonic topological insulators with ultrafast control”為題在線發(fā)表在國際學術期刊《Nature Communications》上。

凝聚態(tài)物理中物質拓撲態(tài)的發(fā)現(xiàn)激發(fā)了人們對經(jīng)典系統(tǒng)中類似效應的研究熱情，其中以光學領域的研究成果最為突出。拓撲光子絕緣體具有很多獨特的電磁性質，包括電磁波的單向傳播特性以及缺陷免疫特性等，因而可以作為一種魯棒調控電磁波的理想平臺。當前，大部分拓撲光子絕緣體只能實現(xiàn)某種特定的靜態(tài)拓撲電磁功能，其可重構性非常有限。此外，現(xiàn)有靜態(tài)拓撲光子晶體只能在拓撲邊界面上形成導波路徑，浪費了拓撲光子晶體的巨大內部空間，因而限制了拓撲光電器件的緊湊度和小型化。在未來的實際應用中，為了提高集成度和降低設計制造成本，拓撲光電器件必然會朝著多功能單片集成方向發(fā)展。為此，人們不斷地探索可重構拓撲光子絕緣體。當前，大部分可重構拓撲光子絕緣體都是通過機械或者加熱的方式改變其幾何參數(shù)或材料參數(shù)來實現(xiàn)。然而，在實際工程應用中，大部分的拓撲光子晶體一旦加工完成，其幾何參數(shù)和材料參數(shù)都不容易改變。此外，傳統(tǒng)的機械調控和加熱調控的方式都需要額外添加調控裝置，不利于后續(xù)的光電集成，且調控速度通常有限。近年來，現(xiàn)場可編程電磁超表面的興起為可重構拓撲光子絕緣體的高速電控研究開辟了一種數(shù)字化的全新調控思路。

該研究團隊結合可編程電磁超表面的靈活可調性和拓撲光子晶體的魯棒導波特性，理論提出和實驗驗證了一種超快現(xiàn)場可編程拓撲電磁超表面。為了實現(xiàn)電控可編程性，蜂窩狀排列的單元結構包含對稱分布的六個電控二極管。通過控制二極管的開關狀態(tài)，可以調控單元結構的空間對稱性，進而實現(xiàn)拓撲能帶的動態(tài)操縱。相比于現(xiàn)有可重構拓撲光子絕緣體，此項工作提出的現(xiàn)場可編程拓撲電磁超表面具有兩個顯著的創(chuàng)新優(yōu)勢：首先，相比于現(xiàn)有溫控或機械調控的可重構拓撲光子絕緣體，現(xiàn)場可編程拓撲電磁超表面的每個單元結構都實現(xiàn)了獨立電控編碼功能，因而調控精度和調控速度都是傳統(tǒng)可重構拓撲光子絕緣體無法比擬的；其次，此項工作提出的現(xiàn)場可編程拓撲電磁超表面可以用印刷電路板(PCB)技術加工制備，因而可以和廣泛使用的光電集成電路無縫集成，實現(xiàn)傳統(tǒng)可重構拓撲光子絕緣體無法獲得的高集成度。以上創(chuàng)新優(yōu)勢對于未來開發(fā)多功能和智能拓撲光電器件有著至關重要的作用，具有潛力巨大的實際工程應用價值。拓撲光子學先驅Alexander Khanikaev教授(OSA Fellow)稱贊此項工作是“拓撲光子學的一個重要里程碑”。

論文通訊作者為東南大學崔鐵軍院士和英國倫敦大學學院(UCL) Nicolae C. Panoiu教授，東南大學游檢衛(wèi)研究員（前UCL博士后）和馬騫博士為共同第一作者。該工作得到了國家重點研發(fā)計劃“變革性技術關鍵科學問題”重點專項、國家自然科學基金、111引智計劃、歐盟ERC等項目的資助。 

文章鏈接:www.nature.com/articles/s41467-021-25835-6