四川
光子结构中的拓扑保护实现了对结构无序具有免疫性的鲁棒单向传播。然而，传统实现通过拓扑绝缘体（TI）畴区获得这种保护，这些畴区的界面承载狭窄的导引通道，使得大部分绝缘体体区在传输中处于非活跃状态。这在拓扑鲁棒性和空间占用之间施加了根本性的权衡。
2026年7月22日，东南大学崔晓晗、香港科技大学陈子亭、南京大学张洋共同通讯在Nature在线发表题为“Insulator-free topological photonic multi-lane highways”的研究论文。该研究从根本上打破了拓扑光子学中长期存在的“拓扑鲁棒性与空间效率不可兼得”的固有观念。
通过利用PVHSM的双重身份（半金属+拓扑绝缘体），研究者实现了全区域单向导光——每个区域既是波导又是隔离层，无需任何绝缘体包层。该架构支持多车道交替单向传输、任意锐弯鲁棒传输和几何形变形态调控，为高密度集成光子芯片和拓扑光路提供了全新的设计范式。
光传播的操控是现代光子学的核心研究焦点，对光通信、光计算和集成光子电路具有重大意义。在过去的二十年中，拓扑光子学已成为一种革命性模型，通过拓扑保护的边缘态实现鲁棒的单向光导引，并为设计具有前所未有的抗无序或结构缺陷背散射免疫性的光子器件开辟了新途径。
然而，基于拓扑的光导引一直存在一个固有要求：光必须被限制在具有完全带隙的拓扑不同光子绝缘体之间的界面上，其中边缘模式通道仅占总面积的一小部分。这一局限性导致了一个广泛接受的权衡：实现拓扑保护的单向传输以空间效率为代价，因为提供非平凡拓扑的体区在工作频率下是波禁止的。
拓扑光子多道高速方式的实验实现（图源自Nature）
在这里，研究人员引入了一种无绝缘体拓扑波导架构，消除了这种权衡，实现了具有100%空间利用效率和拓扑保护的多车道单向光导引。通过策略性地在旋磁蜂窝光子晶体（PCs）中结合时间反演和反演对称性破缺，在平凡和陈绝缘体相之间的不同临界转变边界上实现了四个不等价的光子谷半半金属（PVHSMs）。
该研究将这四种结构以并行的循环配置排列，使得每个畴区同时作为谷选择性波导和相邻畴区中另一个谷的拓扑屏障，从而无需进一步的拓扑绝缘层。实验和理论结果表明，这种多车道配置将传统的边缘态转变为密集堆积的大面积单向模式。这些模式在四个畴区之间表现出交替的单向性，同时在任意尖锐弯曲和显著形状变化下仍保持鲁棒性。这项工作展示了一种超紧凑拓扑光子电路的设计策略，在高密度集成光学方面具有潜力。
参考消息：
https://www.nature.com/articles/s41586-026-10817-9
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