2025年第8期Editor’s Pick：

研究背景

当光从一种介质进入另一种折射率不同的介质时，通常会发生反射和折射，且折射光束始终位于法线的另一侧。然而，超材料的出现打破了这一常识：通过特殊设计，折射光可与入射光位于法线同侧，这一现象被称为负折射。随着拓扑光子材料的发展，科学家们进一步发现，光在拓扑界面不仅能实现负折射，还能实现无反射的单向传播，出射效率接近100%。这为高效、无损光路调控带来了新的机遇。但现有拓扑负折射方案存在一个关键问题：光子能带被锁定在高对称点，动量难以调控，导致光束方向单一，限制了其在激光雷达（LiDAR）、自适应天线和5G通信等需动态调控应用中的潜力。

针对这一瓶颈，华南理工大学李志远教授团队提出了一种可调拓扑负折射方案。该方案利用反手性拓扑态在动量空间中的广泛分布，通过调节激发频率或外加磁场，灵活控制入射光的布洛赫波矢，使光束折射角可在−38°至12°范围内连续可调，并实现负折射与正折射的自由切换。拓扑保护还确保了出射光束的高效率与方向稳定性，即使存在缺陷也不受影响。

研究内容与成果

光的折射遵循斯涅尔定律，本质是入射光与折射光的面内动量守恒。因此，只要能在大范围内调控入射拓扑态的布洛赫波矢𝑘，就能精确控制折射方向（图1a）。研究团队在交替磁化的反手性磁光光子晶体中构建波导通道（图1d），该结构支持单向传播的拓扑光子态，其能带跨越K' 和K 点，具备极宽的波矢可调范围Δ𝑘（图1b）。通过调节激发频率，可在二维动量空间中大幅移动拓扑态，进而实现从负折射到正折射的连续调控（图1c-1d）。

图1 宽谱连续可调的拓扑折射：从正折射到负折射

拓扑光子态的傅里叶光谱验证了这一机制：频率升高时，拓扑态在动量空间沿拓扑光子态在动量空间沿K'-M-K路径显著移动（图2a）。依托拓扑保护特性，该光子态在波导中遇到金属障碍物也能迅速恢复传输，使折射效率不受干扰（图2b）。随着激发频率升高，出射光从负折射角逐渐偏转为正折射角。

图2 频率调谐布洛赫波矢实现拓扑折射的负折射与正折射切换

团队还提出磁场调控方案，通过控制光子晶体腔与磁铁间的间隙距离调控磁场强度（图3a-3b），在固定频率下可实现折射角从-38°到+12°范围的连续扫描（图3c-4e），避免了频率扫描对带宽源的依赖。

图3 磁场调控实现拓扑折射从负折射到正折射的连续转变

“这项工作借助斯涅尔定律，将拓扑材料内部自由度的调控转化为对自由空间光束的精准操控，不仅实现了负折射到正折射的连续调控，还展示了鲁棒的大角度动态波束扫描能力。”李志远教授表示，“这是我们团队自2020年首次提出反手性拓扑光子态研究以来的重要延续，也为拓扑光子学向通信、雷达等应用落地提供了新的设计理念与路径。”

主要作者简介

郑义栋

华南理工大学物理与光电学院

研究方向：微纳光学、拓扑光子学

郑义栋, 华南理工大学22级博士研究生，主要从事微纳光学与拓扑光子学研究，作为第一/共一作者身份在PhysicalReviewLetters、、Chinese Physics Letters 等期刊发表多篇学术论文。

李志远

华南理工大学物理与光电学院

研究方向：非线性光学、微纳光子学、拓扑光子学等

李志远,博士生导师，国家杰青，华南理工大学物理与光电学院教授、副院长，广东省珠江人才计划双创团队负责人。研究领域涵盖微纳光子学、非线性光学、激光技术、拓扑光子学、纳米显微成像、光镊技术、微纳尺度光物理和量子光学、基础电磁学理论和基础量子物理理论等。至今已在SCI收录的物理学、化学、光学和材料科学期刊上发表论文520篇，其中包括PRL、Nature Commun.、Science Adv.、Chem. Soc. Rev.、JACS, Adv. Mater.、Nano Lett.、ACS Nano、Light: Sci. & Appl.、PhotoniX 等高水平期刊论文130多篇。被SCI引用34000次以上，2014、2018年入选全球高被引科学家，2016-2023年入选爱思唯尔中国高被引科学家。