二阶多频带角态光子拓扑绝缘体的逆向设计

       光子拓扑绝缘体(PTIs)是一种具有拓扑边界态的系统，这种拓扑边界态可以防止体中的杂质，为实现光的鲁棒转向提供了很大的机会。迄今为止，遵循体-边对应原理，已经实现了基于量子霍尔效应、量子自旋霍尔效应和量子谷霍尔效应的PTIs。这些PTIs的特征是无间隙边界态比体积低一维(1D)。同时，针对多波段应用，提出了一种支持双频谷边界态的PTI。

       近年来，一类支持低维拓扑边界态的高阶PTI也被证实，它超越了传统的体-边界对应关系。在二维(2D)系统中，所谓的二阶PTI(SPTI)具有一维间隙边界态和零维间隙角态。晶体对称性是SPTI工程的关键。迄今为止，基于不同的对称晶格已经实现了几种版本的SPTIs，如C6v-和C3-对称六角晶格、C3v-对称kagome晶格和C4v-对称正方形晶格。由于能量局域在角落，SPTIs可以增强光-物质的相互作用，从而在线性和非线性集成光学中具有广阔的应用前景。迄今为止，基于SPTI的高品质因子的拓扑纳米腔、拓扑绝缘体激光器和拓扑增强的非线性变频已被证实。然而，大多数以前的SPTIs只支持一个带隙内的角态，限制了多带应用，如多带激光器、多带谐振器、多带滤波器等。最近，在横向磁性(TM)模式的二维SPTI中，已经证明了多波段谷带和二阶角态。然而，所提出的SPTI是由孤立的柱组成的，很难在纳米尺度上制造，也不方便集成到片上光子电路中。

       为了克服这一挑战，湖南大学的Yafeng Chen等人借助逆向设计技术，设计了一种由全连接介电材料制成的多波段SPTI，在四个宽频带隙内观察到四个拓扑角态。进一步证明了这些角态对缺陷的鲁棒性。设计的SPTI可以很容易地通过电子束光刻技术制作并集成到光子电路中，在线性和非线性片上光子器件中有潜在的应用。相关工作发表在《PHYSICAL REVIEW APPLIED》上。（郑江坡）