北京
拓撲光子學是一門融合了凝聚態物理拓撲概念和光學理論的交叉學科，其重要原理之一為體邊對應關系：如果一個材料的內部能帶具有非平庸的拓撲性質，那么它的邊界上就通常會出現受拓撲保護的界面態。在一維系統中，這種拓撲界面態的理論源頭可以追溯到Jackiw-Rebbi（JR）機制——當系統中某個類似“質量”的參數在空間上由正變負時，在該符號反轉的界面（即疇壁）處，會束縛出一個強度向兩側指數衰減、能量為零的局域態。不過，以往人們在普通介質材料（如半導體或電介質）構成的光子體系中實現的JR態，其局域范圍通常達數個晶格常數甚至幾個波長量級，模式體積偏大，不利于片上光集成。相比之下，等離激元體系（如金屬結構）能夠將光場壓縮到亞波長尺度，為實現高度局域的拓撲界面態提供了物理可能，但要在實驗中真正構建出這樣的態，仍面臨顯著的挑戰。
近日，中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心納米物理與器件實驗室N10課題組基于Su-Schrieffer-Heeger（SSH）模型，設計了一種一維金屬-介質光柵結構，并首次在等離激元體系中成功實現了高度局域的JR態。在SSH模型中，拓撲性質由胞內與胞間這兩種耦合強度的相對大小決定，而這兩者的差值正比于Dirac質量項。實驗中，他們通過連續調節金屬光柵的寬度以改變質量項符號，從而讓整個系統逐漸從拓撲平庸相過渡到拓撲非平庸。緊接著，研究團隊將拓撲非平庸與拓撲平庸相的兩部分光柵沿著界面精準拼接起來，形成一個Dirac質量符號反轉的異質結，通過角分辨反射光譜技術，他們清晰地在該拼接界面處觀測到位于光子帶隙內的JR態。與具有相同帶隙寬度的全介質結構相比，該等離激元JR態的局域長度縮小了大約三倍，有力地證明了金屬結構在壓縮拓撲界面態模式體積方面的顯著優勢。
圖 等離激元系統中拓撲JR態的原理與實驗驗證。
該工作表明，借助等離激元特有的慢光色散效應，可將拓撲界面態在橫向上的擴展范圍壓縮到波長量級，從而在完全不犧牲拓撲保護能力的前提下，有效減小模式體積。這一結果打破了拓撲態在傳統介質光子體系中固有的尺度限制，為拓撲光子學與納米光子學的融合提供了一條可行的技術路徑。
該研究成果以“Highly Localized Plasmonic Jackiw-Rebbi State from a Topological Phase Transition”為題于2026年7月6日在線發表在《Nano Letters》上。中國科學院物理研究所和燕山大學聯合培養研究生付子怡和羅猜為論文共同第一作者，中國科學院物理研究所郭陽副研究員、顧長志研究員，以及燕山大學李健梅博士為共同通訊作者。該研究得到了科技部、國家自然科學基金委員會和中國科學院等項目的資助。
編輯：小鹿
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