曾入选“中国光学十大进展”!31岁浙大科学家全球首次突破光学拓扑绝缘体研究,太赫兹互联技术剑指6G

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曾入选“中国光学十大进展”!31岁浙大科学家全球首次突破光学拓扑绝缘体研究,太赫兹互联技术剑指6G
麻省理工科技评论 2021-01-08

2021-01-08

首次实验实现三维光学拓扑绝缘体、实现基于太赫兹拓扑光学的片上通信以及在特制的三维声子晶体中首次观测到了自旋为 1 的外尔点等重大突破
35岁以下科技创新35人
首次实验实现三维光学拓扑绝缘体、实现基于太赫兹拓扑光学的片上通信以及在特制的三维声子晶体中首次观测到了自旋为 1 的外尔点等重大突破

31 岁的杨怡豪,负笈南洋求学之后,带着博后期间的“颠覆级”成果,毅然选择回到母校浙江大学工作。

2020 年末,其凭借首次实验实现三维光学拓扑绝缘体、实现基于太赫兹拓扑光学的片上通信以及在特制的三维声子晶体中首次观测到了自旋为 1 的外尔点等重大突破,浙江大学百人研究员杨怡豪成功入选《麻省理工科技评论》“35 岁以下科技创新 35 人” 2020 年中国区榜单。

浙大科学家首次突破光学拓扑绝缘体研究,太赫兹互联技术剑指6G

图 | 《麻省理工科技评论》“35 岁以下科技创新 35 人” 2020 年中国区榜单入选者杨怡豪

“光” 与 “拓扑” 是杨怡豪研究的关键词,从读博开始,杨怡豪便开始从事与光学有关的研究。博士后研究期间,杨怡豪开始选择拓扑光学作为自己的研究方向。

拓扑绝缘体:继石墨烯之后的”Next Big Thing”

拓扑,是英文单词 Topology 的中文音译。Topology 原本是一个数学分支,其主要研究几何图形或空间、在连续变化下维持不变的性质,“莫比乌斯环” 就是一种很有意思的拓扑结构。

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图 | 一种重要的拓扑学结构:莫比乌斯带(来源:IC photo)

在拓扑物理学中,最火热的研究概念莫过于拓扑绝缘体,自 2007 年被发现以来,逐渐成为了凝聚态物理领域的一个新热点,并被认为是继石墨烯(2010 年诺贝尔物理学奖)之后的”Next Big Thing”,它对基础物理的理解以及半导体器件的应用都有很大的价值。

2016 年,大卫・索利斯、邓肯・霍尔丹和迈克尔・科斯特利茨共同获得了诺贝尔物理学奖,以表彰他们在理论上发现了物质的拓扑相变和拓扑相。该领域最简单的应用是电子拓扑绝缘体,简单说就是一个有特殊结构的绝缘体,表层材料经特殊处理后可允许电子通过,而其内部是绝缘体还可防止漏电,制备出的器件功耗较低,因此在半导体器件上有着潜在应用价值。

而拓扑光学是一个新兴的方向,它将拓扑自由度引入光学系统,从根本上改变人们对光的认识和利用。杨怡豪告诉 DeepTech :“其实,光学拓扑绝缘体是电子拓扑绝缘体的泛式,它将电子拓扑绝缘体的概念运用到光学上。”

光学拓扑绝缘体(PTI,Photonic Topological Insulators)是对电子拓扑绝缘体的模拟,最直接的性质就是作为光的 “绝缘体”—— 不透光,但是边界却可以导光,即可以支持一种表面波模式。

因此,光学拓扑绝缘体能做成具有特殊功能的波导来传递光信号,例如有些光学拓扑绝缘体的表面波有单向传播的特性,所以当它遇到障碍物时不会被反射,可以用来做成对杂质和缺陷免疫的波导。

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图 | 光学拓扑绝缘体,它的表面态可以对缺陷和障碍物免疫(来源:杨怡豪)

当然以上只是光学材料的表象,更深层的物理在于其能带的拓扑特性。虽然能带理论早已经被引入光学,并诞生了光子晶体,但是此前人们更关注的是光子晶体能带的特征值、即色散曲线。直到在受凝聚态的影响之下,人们才注意到能带的特征向量,即本征模式。

首次三维光学拓扑绝缘体实验验证

前文提到的诺奖得主邓肯・霍尔丹,是最早提出光学拓扑绝缘体的科学家之一。2005 年,霍尔丹试图将拓扑绝缘体的理论拓展到光学体系,这一大胆想法曾引起质疑与争议,论文直到 2008 年才发表在物理学顶刊 PRL 上,光学拓扑绝缘体的理论暌违三年终于正式问世。

2009 年,MIT 物理系科学家 Zhen Wang 和 Yidong Chong,首次通过实验实现了二维光学拓扑绝缘体,开启了光学拓扑绝缘体的实验研究,相关论文发表在 Nature 上。然而,光学拓扑绝缘体的实验研究,依然局限于二维空间,三维空间的相关研究尚属空白。

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图 | 石墨烯结构(来源:杨怡豪)

2019 年,杨怡豪等人在 Nature 上发表文章《三维光子拓扑绝缘体的实现》 “Realization of a three-dimensional photonic topological insulator” ,以成功的实验验证了三维光学拓扑绝缘体的研究成果,而这也是世上的首次。

文章中,杨怡豪等人提出了宽频带三维光学拓扑绝缘体的设计方法,实验中他们创造性地采用有极强双各向异性的开口谐振器构造单元结构,实现了极宽的三维光学拓扑带隙,并探索了一套针对于三维拓扑光学绝缘体的测试方法,进而观测到一种关键特征 —— 三维完全带隙及二维表面狄拉克锥。

此外,研究团队基于三维光学拓扑绝缘体,研制了一种可对弯折曲面 “免疫” 的新型电磁波导。杨怡豪等人在实验中也验证了在三维光学拓扑绝缘体表面,光能绕过拐角实现高效地传播,这一现象被称作 “Z 型三维世界光子的高速公路”。

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图 | 表面波无障碍的绕过 Z 型拐角(来源:杨怡豪)

文章的通信作者之一、浙江大学陈红胜教授,是杨怡豪博士时期的导师,也是后者入选《麻省理工科技评论》“35 岁以下科技创新 35 人” 2020 年中国区榜单的推荐人之一,他对于这项研究表示:“这便是‘光子高速公路’的神奇之处。在这条高速公路上,无论道路多么曲折,光子都能一往无前。”

在物理层面上,该成果率先把三维拓扑绝缘体从费米子体系拓展到了玻色子体系;在应用层面上,它实现了一个宽带隙三维光学拓扑绝缘体,对三维拓扑光路、光学腔、激光等应用有着极为重要的意义。该成果发表于 Nature,并被 Physics World、Phys.org、科学网、国家自然基金委等平台报道,且入选为 2019 年中国光学十大进展(基础类)、2019 年中国光学领域十大社会影响力事件。

科学最后应当走向应用

业余的杨怡豪还是一位知乎答主,他曾回答过 “什么是光学拓扑绝缘体” 的问题,并成为 “专业认证” 的高赞回答。对于自己的研究领域,他表示:“我个人觉得,人们已经开始对纯粹的新概念有些厌倦,光学拓扑绝缘体需要找到更多更好的应用。所以,从这个角度来说,光学拓扑绝缘体已经进入下半场,未来将会有更多做应用的人加入进来。”

在拓扑光学的应用上,他已经有所建树,其开发了基于太赫兹拓扑光学的片上通信,对于实现可集成、高稳健性、低成本、高效的太赫兹片上波导有着重要意义,有望应用于下一代 6G 移动通信网络、物联网、芯片内及芯片间互联(intra-/inter-chip interconnect)和太赫兹集成电路等。

太赫兹电磁波频率在 0.1 至 10 太赫兹之间,随着人们对高速通信日益增长的需求,太赫兹波由于能够提供更宽的带宽,也越来越被重视。

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图 | 基于光学拓扑绝缘体的太赫兹通信(来源:杨怡豪)

但是,目前的太赫兹波导难以满足上述重大应用需求。基于此,杨怡豪等人将拓扑光学引入到太赫兹波,提出了太赫兹拓扑光学的概念,并设计实现了一种可集成、低损耗、高稳健性、低色散、单模的片上太赫兹拓扑波导。由于该波导的优良性能,研究团队实现了高达 10 Gbit/s 的太赫兹片上通信,并进一步实现了无压缩 4K 高清影像的实时传输,其开拓了太赫兹拓扑光学方向,基于拓扑光学的太赫兹器件的通信速率可进一步提高至 1 Tbit/s。该成果发表在国际顶级光学期刊 Nature Photonics,对无人驾驶、精密加工、全息通信、物联网等应用极为重要。

下一阶段,剑指 6G

日后,其研究工作将围绕针对 6G 无线通信的应用展开,他想将太赫兹光源、探测器、天线等集成到太赫兹光学拓扑绝缘体平台,开发出能够产生、调制、接收、解调的太赫兹无线收发器件,实现 100 Gbit/s 以上的无线通信速度。另一方面,针对太赫兹芯片内 / 芯片间互联,杨怡豪将开发基于光学拓扑绝缘体的太赫兹互联技术,实现芯片内 / 芯片间 20 Gbit/s 以上的高速通信。

如今,杨怡豪博士结束了在新加坡南洋理工大学(NTU)的博士后工作,并已回国继续从事科研。

NTU 的张柏乐教授,是杨怡豪的老师。前者是 2012 年《麻省理工科技评论》全球 “35 岁以下科技创新 35 人”的上榜者,8 年之后杨怡豪“接棒”该榜单,或许是这对师生互相致敬的最好方式。

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