2025 07 31 19:17:13| 来源: 互联网整理
光沿直线传播，这是写在我们常识里的一句话。科学家则有办法让光拐弯。浙江大学和新加坡南洋理工大学的科学家合作构建出世界上首个三维光学拓扑绝缘体，在三维材料的“高速公路”上，一束光完美地跑出了“Z”字形。
相关论文“Realization of a three-dimensional photonic topological insulator（三维光学拓扑绝缘体的实现）”于伦敦时间2019年1月9日在《自然》杂志上线，由浙江大学陈红胜教授课题组和新加坡南洋理工大学Baile Zhang教授、Yidong Chong教授课题组合作完成，其中浙江大学信息与电子工程学院杨怡豪博士（导师：陈红胜）为论文第一作者，浙江大学为第一完成单位。
假如光像流水
光线绕弯会发生许多有趣的现象，隐身衣就是其中一例。陈红胜等曾在2013年制造出一种可见光波段的隐形器件，让金鱼、猫等动物在人眼前遁形。“我们能让光像流水一样，在物体表面不发生散射，而像溪水流经石头，顺着石头的形状绕过去，继续按照原来的传播方向前进。” 陈红胜说。“没有散射光的情况下，人眼就识别不出物体了。”
一条金鱼在可见光波段的隐形装置中进出
在科学家希望隐形的名单中，材料的杂质、缺陷占据着重要位置。电磁波在光波导、或者在介质交界面传播时，“途中”遇到的杂质、缺陷，都能让电磁波发生散射，导致传输效率下降。“如果能设计出一种新型波导，让这些散射因素‘隐形’，将大大提升传输效率，在未来会有重大的应用前景。”陈红胜说。
表面波遇到缺陷、杂质、或者波导拐弯等，会产生不可避免地散射
在很多器件中，电磁波必须绕着弯走。“在目前的技术体系中，一旦转弯幅度大，电磁波就会发生散射，影响传输效率。转弯幅度小，就不利于节省空间。”一位从事电磁波研究的科学家认为，这是实现未来光子芯片的一项巨大的挑战。“ 我们希望‘急转弯’的时候，也要不发生散射。”
电子的路，光子能跑吗？
杨怡豪说，凝聚态物理的热门材料——拓扑绝缘体是这项研究的灵感之源。拓扑绝缘体是一种表面导电，内部绝缘体的材料，它能让电子绕着材料表面传输，而在材料内部却“禁止通行”。著名科学家张首晟在向公众介绍拓扑绝缘体时，曾以“高速公路”作比喻：电子在芯片里的运动，就像一辆辆跑车在集市里行驶，不断地碰撞，产生热量。笔记本电脑放在腿上，时间一长就感觉很烫。正是电子碰撞产生的热量，导致摩尔定律将失效。而拓扑绝缘体好似为电子建立了高速公路，让电子在一条条“单向车道”上运行。
电子的“高速公路”，光子能跑吗？2005年，普林斯顿大学的邓肯·霍尔丹（2016年诺贝尔物理学奖得主）进行了一项思想实验，试图将拓扑绝缘体的理论拓展到光学体系。这一大胆的想法在科学界引起质疑与争议，论文直到2008年才发表在物理学顶级研究期刊PRL上，光学拓扑绝缘体的理论正式问世。2009年，MIT 物理系Marin Soljačić教授研究组年轻的科学家Zhen Wang和Yidong Chong在Nature发文，第一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。
当前，关于光学拓扑绝缘体的实验研究仍局限在二维材料。2017年，纽约城市大学的Alexander B. Khanikaev教授团队提出了无磁性材料的三维光学拓扑绝缘体的设计理论。“我们关注到了这项工作，但其参数十分苛刻。”杨怡豪说，在浙江大学和新加坡南洋理工大学，联合课题组开始尝试搭建新型的实验体系。这是科学界的第一次尝试用实验实现光学三维拓扑绝缘体。
“电子芯片的发热问题，拓扑绝缘体给出了很好的解决方案；光子芯片的信号耗散问题，科学家希望通过光学拓扑绝缘体给出方案。”杨怡豪说。
为光子“筑”路
从电子体系到光子体系，从二维到三维，研究对象存在许多本质区别，实验遇到了前所未有的困难。一开始，他们甚至没有现成的实验设备去测量。
杨怡豪巧妙地提出设计了一种由多个开口谐振器构成的单元结构。“这是‘高速公路’的路基，也是实验成功的关键。”陈红胜说。最终，联合课题组首次实现了三维光学拓扑绝缘体，它具有宽频带拓扑能隙。这种三维光学拓扑绝缘体，可以用印刷电路板技术制作完成。
三维世界光子的“高速公路”，是“Z”字形的。表面波在界面传播时，能够无障碍的绕过Z型拐角。“通过对材料内部及表面电磁场分布成像，我们观测到了该材料的三维能隙，以及具有二维狄拉克锥形式的表面态——这些正是三维光学拓扑绝缘体的关键特征。”杨怡豪说。
“对表面波来说，这些拐角就像被隐形一样，而能够绕过拐角实现高效地传播，这正是受益于三维光学拓扑绝缘体的拓扑保护特性。”陈红胜说。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。”杨怡豪说。“这就能避免光发生散射导致信息耗散的问题。”
“我们的工作首次赋予了三维光子带隙以拓扑性质，也就是说，将来可以像三维拓扑绝缘体控制电子一样用三维拓扑光子晶体来控制光子。”合作研究者Baile Zhang教授说。杂志审稿人认为，实验实现光学拓扑绝缘体非常重要，这将推动相关新兴领域的发展。
陈红胜认为，这项研究首次将三维拓扑绝缘体从费米子体系扩展到了玻色子体系，并可能应用于三维拓扑光学集成电路、拓扑波导、光学延迟线、拓扑激光器以及其他表面电磁波的调控器件等。
这或许是人类向光子芯片、光子计算机迈出的一步。未来，在微小的光子芯片里，光携带着信息在纵横交错的高速公路上奔跑，为我们创造着更快更好的世界。
本文来源于浙江大学学术委员会
本文图片：课题组
本文编辑：浙江大学微讯社 田柳燕
责任编辑：周亦颖
《Nature》作为殿堂级顶刊，发表在上面的论文往往具有广泛的影响力和重要意义。下面我们一起来回顾2019年材料领域发表的部分成果！主要介绍国内的成果以及部分国外重要成果。哪篇让你“怦然心动”呢？
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27《Nature》铁电领域再度取得重大突破！
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28 华丽逆袭！面临毕业延期的南大博士，以一作发了Nature
以前的方法是比较低效的，所以说不适合大规模地寻找，我们基于之前发展的一个很高效的拓扑材料的搜索方案，然后对一个已经合成的晶体材料数据库进行了大规模搜索，从而发现了数千种拓扑材料。
29 重磅《Nature》：金属所新发现，为高效制冷提供新思路！
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31《Nature》Wi-Fi信号可充电！
科学家发明了一种将Wi-Fi信号转换为电能、无需电池即可为设备供电的机器。这是一个仅由通过的Wi-Fi波供能的小型二维设备。
32 登《Nature》正刊！中国科大攻克氢能源汽车应用关键难题
研制出一种新型催化剂,攻克了新能源汽车——氢燃料电池汽车推广应用的关键难题：解除氢燃料电池一氧化碳“中毒休克”危机，延长电池寿命，拓宽电池使用温度环境，在寒冬也能正常启动。
如想详细了解这32篇文章，请关注 材料科学与工程微信公众号（ID：mse_material）1月2日推文。
说到点卡，对00后10后来讲一定会很陌生，在这个移动支付飞速发展的现在，只需要大家在微信点一点手指，就可以进行游戏充值。这种操作极大冲击了以前传统繁琐的一卡通支付方式，以至于现在基本消失不见了。今天我就来带大家回忆一些我们曾经用过的一卡通。
1 腾讯充值卡
要说到点卡界颜值担当，qq卡必有一席之地。在2010年左右qq卡30元面值的已经是塑料材质的了，握在手里手感非常的厚实。最实惠的是每一张卡片后面都赠送着qq密保，在当时盗号盛行的年代，无疑是定海神针，让人特别踏实！
2 骏网一卡通
骏网一卡通又称为“骏卡”，可充值市面所有游戏、话费、杀毒、教育、读书、交友、影音、兑换电影票等数字产品，覆盖面可谓是特别强大，我们可以到处在报亭，便利店网吧等地方看见它的身影。我之前玩过一款网页游戏热血三国，就是一直用骏网充值的，不知道大家玩过没有。
3 网易一卡通
2008年梦幻西游232万人同时在线，可谓是坐实了第一网游的宝座。当然这还不够，梦幻西游的氪金是路人皆知的，玩梦幻西游或者大话西游的家里不放着一摞网易一卡通是绝对玩不爽的，所以就可以看出网易一卡通到底有多么畅销了。
4 世纪天成一卡通
还记得你在跑跑卡丁车里面买的第一辆车吗？还记得你在CSonline里开的骨灰盒有过几次金勋奖呢？这两款游戏承载了我们太多的回忆，随着游戏的不断换代，这两款游戏也慢慢消失在大家的视野里，令人唏嘘。
5 米米卡
还记得你的拉姆叫什么名字吗？记得当时用米米卡买个超级拉姆，在弄上一身隐身衣在摩尔城堡中感觉特别酷，摩尔庄园手游在6.1日上线，你会去寻找自己的童年吗？
你还用过什么一卡通呢？
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