光束沿直线流传，这是一个通俗物理学常识。若是有人敷陈您，光束也能够拐弯甚至急转弯，您或许会说：“在做梦吧！”
实际上，好多科学发现就在于先有“梦”尔后“妄想成真”。现在，让光束转弯的科学妄想已经成为实际。2009年10月，国外一研究团队行使光学拓扑理论，设计出一个能掌握光束的器件，能让光在这个器件中绕过障碍物持续流传。这一科学发现，推翻了人们对光束的传统认知，激发了国际科学界的普遍存眷。
流传速度极快的光束为何能拐弯，甚至能绕过障碍物呢？个中的奥秘就在于，光子拥有一条专用的“高速公路”。如今就让我们一路来揭开它神秘的面纱。
请存眷今日《..报》的报道——
国防科技大学博士杨镖为您讲述——拓扑光子学：打造光子专用“高速公路”
■..报记者 王握文 通信员 毛元昊 王涵钰
光子如无障碍一般绕过Z型拐角示意图
●它能让光子拐弯，也能让光子奋不顾身“不回头”
●它能让光子“包涵”各类缺陷，具备强抗干扰能力
●它在军事通信、光子芯片、激光等范畴应用前景广宽
光束沿直线流传，这是一个通俗物理学常识。若是有人敷陈您，光束也能够拐弯甚至急转弯，您或许会说：“在做梦吧！”
实际上，好多科学发现就在于先有“梦”尔后“妄想成真”。现在，让光束转弯的科学妄想已经成为实际。2009年10月，国外一研究团队行使光学拓扑理论，设计出一个能掌握光束的器件，能让光在这个器件中绕过障碍物持续流传。这一科学发现，推翻了人们对光束的传统认知，激发了国际科学界的普遍存眷。
流传速度极快的光束为何能拐弯，甚至能绕过障碍物呢？个中的奥秘就在于，光子拥有一条专用的“高速公路”。如今就让我们一路来揭开它神秘的面纱。
用好拓扑学，改变光束直线流传
光束的个性是沿直线流传，如何才能改变其个性呢？这必需依靠拓扑学。作为近代成长起来的一个研究一连形变现象的数学分支，拓扑学相对深奥，我们能够经由简洁类比来懂得。简洁地说，拓扑是研究几许体中含有“孔洞”个数（即“拓扑数”）的一门学问。好比说，人们喜欢的美食甜甜圈、健身用的呼啦圈，在构造中都有一个洞，在数学上，我们能够将这种中央有且只有一个“孔洞”的构造，归为一类，看作是只有一个“孔洞”的圆环体。对于篮球、足球、西瓜等没有“孔洞”构造的物体，则将其归为另一类。它们固然都属于圆环体，但前者“孔洞”个数为1，后者为0，构造分歧，在性质上就存在很大的差别。简洁地说，按照分歧物体中所包含的“孔洞”个数进行分类，并对“孔洞”个数沟通的物体进行性质上的类比，就是拓扑学意义上的分类。
拓扑学是一个很神奇的数学概念，它进入物理学范畴后，最早被用来描述物质中电子活动纪律，并由此发现了“拓扑绝缘体”。这一别致的材料比拟于不导电的橡胶等通俗绝缘体，固然同样能阻止电荷举止，但在其外观如同为电子拓荒了一条“高速公路”，能够让电子无障碍、低损耗地高速穿流。
“拓扑绝缘体”这一奇特功能，让物理学家们浮想联翩。2008年，物理学家邓肯·霍尔丹提出了打造“光学拓扑绝缘体”的别致构想。他的设想是，当两种具有分歧拓扑数的材料慎密拼接在一路时，其界面处必然会发生一个光学拓扑界限态。如斯一来，耦合到物质外观的光，天然不会也不需要穿入物质体内，履历如同塞车般的“散射和接收”，而乖乖地走上了属于本身的那条外观通道。这个光学拓扑界限态就相当于光子的专用“高速公路”，但它并非是一条直线，而像通俗道路一般有巨细不等的弯道，光子在这条“高速公路”上流传，只能沿着弯曲的道路通行，即在物质外观“曲线流传”。如许，就改变了光束直线流传的个性。
“只有想不到，没有做不到”。现在，这条光子“高速公路”在科学家们的不懈索求与立异中，已经走进实际。这就是由拓扑学成长而来的“拓扑光子学”。
拥有奇异特征，彰显超强手腕
在这条光子专用的“高速公路”上，处于光学拓扑界限态的光子，只能沿着界限流传。与传统导光介质比拟，其拓扑珍爱性质使光学拓扑绝缘体具备了很多奇特手腕。
让光子奔驰通顺无阻。在光学拓扑绝缘体中，行使叠加偏振偏向互相垂直的两种光，能够模拟出雷同电子所具有的自旋特征。如斯一来，在光学拓扑绝缘体边缘，“自旋属性”分歧的光波组合离别归属于分歧的“通道”，避免两类组合之间互相干扰。光子流传“通道”就从狭小的“林间巷子”升级为宽广通行的“高速公路”，当碰到散射体时，不会“掉头就走”，即不会发生背向散射现象。如许不光能够巧妙地实现“单向通光”的功能，更能极大地提高光子中负载信息的传输效率。
让光束可以拐弯。光学拓扑态是由两种具备分歧拓扑数材料慎密相连所组成的一个物质界面，这就使得进入界面的光子注定只能在“夹缝中求生存”，它只能沿着两个物体的接缝处流传。如许就可凭据需要，在材料接缝处随心所欲地进行大角度弯折，尽量做成诸如“Z”字外形，光子都能“奔驰”自如。也就是说，无论进步道路何等弯曲，它都能奋不顾身，让光束急转弯不再是神话。
让光子“包涵”缺陷。在传统认知里，光子是一个“完美派”，所到之处，必需情况洁净、不乱，不然就会在流传中散射或被接收，从而使很多光学实验无法正常进行。在很多光学加工及元器件生产过程中，需要采用超高精度加工手段来减小对光束的影响，这导致加工和生产成本过高。若是采用拓扑光子学方式，则能很好地解决这一问题。因为光学拓扑界限态十分不乱，具有拓扑性的光子即使碰到瑕疵或缺陷时，系统的拓扑数也并不会发生改变。这种对缺陷的“包涵”性，使得光学拓扑绝缘体具备很强的抗干扰能力。
军事应用潜力伟大，后发优势尤为显着
作为一种奇异的光子传输状况，光学拓扑界限态所具备的“独门特技”，是其他光学效应无法对比的。2013年，科学家们已在实验室成功研制出首个光学拓扑绝缘体。他们巧妙地设计出一种奇特“波导”网格，能显著削减传输过程中光的散射，为将来各类光学应用打开了一扇新的大门。现在，大量实验证实，光学拓扑绝缘体所具有的优胜机能，使其在通信、光集成等范畴具有广宽的应用前景。尤其是在军事应用上，它已成为“潜力股”，具有十分显着的后发优势。
构建超不乱光学通信线路。现代高速通信的根蒂首要采用遍布海底的高速光缆，旌旗在极远距离上的传输与放大一向是制约通信速度提拔的焦点问题之一。当光纤对旌旗所发生的背向散射光络续叠加，又与旌旗光同频率时，就会组成对旌旗的干扰。若是行使有拓扑珍爱性质的光子晶体光纤，就能够有效解决这一问题。因为，光学拓扑界限态的单向传输特征，不光可以实现超高速的光学旌旗传输，更主要的是可以实现低功率、高保真的超不乱通信。这将为军事应用中的一体化信息收集扶植供应有力撑持。
鞭策光子芯片手艺成长。现代信息手艺的焦点是电子芯片。半个世纪以来，芯片的机能提拔一向遵循着“摩尔定律”，即每18个月机能提拔一倍，但电子芯片成长并非无极限。是以，科学家们正测验研发光子芯片，行使光子庖代电子成为逻辑运算的根基载体，成为新一代具备推翻机能力的较量焦点。与内含铜导线电子芯片分歧，它行使光束可沿大角度、低损耗传输的优势，极大提高芯片的机能和信息处理的平安性。一旦研发成功，将鞭策军事范畴新一代光较量元件斥地，提拔有关信息处理能力，并实现完全自立可控。
打造高效激光光源。激光是行使谐振腔对种子光的往返反射实现光放大，而谐振腔内的瑕疵会影响激光损耗阈值，从而使激光输出功率大幅降低甚至无法出光。若是行使光波对构造缺陷的免疫能力，采用光学拓扑绝缘体设计的谐振腔，则能够完美避开腔内瑕疵，使激光器工作效率更高、机能更不乱。将来，以拓扑绝缘体激光器为焦点的新型有源拓扑光子器件，将为军事通信、疆场感知等信息化作战范畴带来革命性转变。
专家小传：杨镖，国防科技大学前沿交叉学科学院纳米科学系讲师、博士，入选2019年度“香江学者规划”。首要从事拓扑光子学、超材料等偏向研究，在《科学》《天然·物理》《天然·通信》等国际权势期刊揭橥论文10余篇。
