“2017中国光学十大进展”发布会于2018年3月13日晚在上海举行。beat365中国唯一官方网站董建文教授研究组“能谷光子晶体中的赝自旋和拓扑调控”研究成果，成功入选了“2017中国光学十大进展”。
该奖项旨在介绍国内科研人员在国际知名学术期刊上发表的与光学相关的具有重要学术与应用价值的论文，分别面向基础研究与应用研究，促进其研究成果在国内的推广传播。该奖项前身为“中国光学重要成果”，历时12年，已经遴选出中国光学重要成果275项。这一奖项，已经在学术界被广泛认可。
图1 中国光学十大进展颁奖现场
光场调控是对电磁波的位相、偏振、振幅等经典自由度实现有效调控。近年来，人们开始转向关注多个自由度之间的耦合，尤其是拓扑光学中诸如自旋、轨道、能谷、涡旋光场等新自由度的关联调控。拓扑光学体系中类量子化的电磁关联行为，有利于探索新型光传输、实现精确光场调控如单向抗散射传输、光延迟、光学外尔点等新现象，也有利于拓扑量子计算、非线性光学、拓扑信息学等领域和学科的发展。
2017年，董建文教授团队与加州大学伯克利分校张翔教授课题组合作，通过构建能谷光子晶体（图2），利用“能谷-赝自旋”耦合，预言了光子能谷霍尔效应，实现了赝自旋单向传输等一系列拓扑光学新现象。相关工作发表在Nature Materials [16, 298 (2017)]上。
该能谷光子晶体具有电磁对偶对称性，在空间反演破缺的条件下，由于能谷-赝自旋相互作用实现了能谷附近的能带劈裂，支持光学赝自旋-路径关联传输，即光子能谷霍尔效应，如图2所示。电磁对偶能谷光子晶体具有一对孪生赝自旋，其中赝自旋向上具有同相Ez和Hz，而赝自旋向下则对应反相Ez和Hz。当光源从顶端入射到能谷光子晶体时，沿左下方能谷K传输的是赝自旋向下能流，而沿右下方能谷K’传输的是赝自旋向上能流。需要说明的是，该能谷光子晶体的所有拓扑不变量均为0，表明该系统的确是拓扑平庸的。至此，利用结构内禀的能谷自由度以及新型能谷-赝自旋相互作用，证明了拓扑平庸体系中的光学能谷霍尔效应，获得了赝自旋-路径关联行为。
图2 能谷光子晶体与光子能谷霍尔效应示意图
同时，通过分析该能谷光子晶体内的本征电磁场手征量，这一工作实现了赝自旋能流的单向传输。更为有趣的是，文章还在单一体系中，对能谷和拓扑两个自由度进行独立调控，实现了全新的拓扑光子界面态。该研究表明，实现有效的拓扑光场调控，将有利于更多基本量子物理问题的实验证实；同时也为新型光场多维度调控物理及应用，尤其是在光子自旋和轨道角动量运用等方面，带来新的有益启示。
董建文教授、及其团队陈晓东专职副研究员为论文的共同第一作者，张翔教授为通讯作者。本工作以beat365中国唯一官方网站为第一单位，受到国家自然科学基金委基金、广东省杰青基金、广东省特支人才计划、beat365中国唯一官方网站优秀青年教师培养计划等资助。
论文链接：http://www.nature.com/nmat/journal/v16/n3/full/nmat4807.html