浙大科學(xué)家全球首次突破光學(xué)拓?fù)浣^緣體研究，劍指6G

31 歲的楊怡豪，負(fù)笈南洋求學(xué)之后，帶著博后期間的“顛覆級”成果，毅然選擇回到母校浙江大學(xué)工作。 2020 年末，其憑借首次實驗實現(xiàn)三維光學(xué)拓?fù)浣^緣體、實現(xiàn)基于太赫茲拓?fù)涔鈱W(xué)的片上通信以及在特制的三維聲子晶體中首次觀測到了自旋為 1 的外爾點等重大突破，浙江大學(xué)百人研究員楊怡豪成功入選《麻省理工科技評論》“35 歲以下科技創(chuàng)新 35 人” 2020 年中國區(qū)榜單。

“光” 與 “拓?fù)洹?是楊怡豪研究的關(guān)鍵詞，從讀博開始，楊怡豪便開始從事與光學(xué)有關(guān)的研究。博士后研究期間，楊怡豪開始選擇拓?fù)涔鈱W(xué)作為自己的研究方向。 拓?fù)浣^緣體：繼石墨烯之后的”Next Big Thing” 拓?fù)?，是英文單詞 Topology 的中文音譯。Topology 原本是一個數(shù)學(xué)分支，其主要研究幾何圖形或空間、在連續(xù)變化下維持不變的性質(zhì)，“莫比烏斯環(huán)” 就是一種很有意思的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

在拓?fù)湮锢韺W(xué)中，最火熱的研究概念莫過于拓?fù)浣^緣體，自 2007 年被發(fā)現(xiàn)以來，逐漸成為了凝聚態(tài)物理領(lǐng)域的一個新熱點，并被認(rèn)為是繼石墨烯（2010 年諾貝爾物理學(xué)獎）之后的”Next Big Thing”，它對基礎(chǔ)物理的理解以及半導(dǎo)體器件的應(yīng)用都有很大的價值。 2016 年，大衛(wèi)?索利斯、鄧肯?霍爾丹和邁克爾?科斯特利茨共同獲得了諾貝爾物理學(xué)獎，以表彰他們在理論上發(fā)現(xiàn)了物質(zhì)的拓?fù)湎嘧兒屯負(fù)湎唷Ｔ擃I(lǐng)域最簡單的應(yīng)用是電子拓?fù)浣^緣體，簡單說就是一個有特殊結(jié)構(gòu)的絕緣體，表層材料經(jīng)特殊處理后可允許電子通過，而其內(nèi)部是絕緣體還可防止漏電，制備出的器件功耗較低，因此在半導(dǎo)體器件上有著潛在應(yīng)用價值。

而拓?fù)涔鈱W(xué)是一個新興的方向，它將拓?fù)渥杂啥纫牍鈱W(xué)系統(tǒng)，從根本上改變?nèi)藗儗獾恼J(rèn)識和利用。楊怡豪告訴 DeepTech ：“其實，光學(xué)拓?fù)浣^緣體是電子拓?fù)浣^緣體的泛式，它將電子拓?fù)浣^緣體的概念運(yùn)用到光學(xué)上。” 光學(xué)拓?fù)浣^緣體（PTI，Photonic Topological Insulators）是對電子拓?fù)浣^緣體的模擬，最直接的性質(zhì)就是作為光的 “絕緣體”—— 不透光，但是邊界卻可以導(dǎo)光，即可以支持一種表面波模式。 因此，光學(xué)拓?fù)浣^緣體能做成具有特殊功能的波導(dǎo)來傳遞光信號，例如有些光學(xué)拓?fù)浣^緣體的表面波有單向傳播的特性，所以當(dāng)它遇到障礙物時不會被反射，可以用來做成對雜質(zhì)和缺陷免疫的波導(dǎo)。

圖 | 光學(xué)拓?fù)浣^緣體，它的表面態(tài)可以對缺陷和障礙物免疫（來源：楊怡豪） 當(dāng)然以上只是光學(xué)材料的表象，更深層的物理在于其能帶的拓?fù)涮匦浴ｋm然能帶理論早已經(jīng)被引入光學(xué)，并誕生了光子晶體，但是此前人們更關(guān)注的是光子晶體能帶的特征值、即色散曲線。直到在受凝聚態(tài)的影響之下，人們才注意到能帶的特征向量，即本征模式。 首次三維光學(xué)拓?fù)浣^緣體實驗驗證

前文提到的諾獎得主鄧肯?霍爾丹，是最早提出光學(xué)拓?fù)浣^緣體的科學(xué)家之一。2005 年，霍爾丹試圖將拓?fù)浣^緣體的理論拓展到光學(xué)體系，這一大膽想法曾引起質(zhì)疑與爭議，論文直到 2008 年才發(fā)表在物理學(xué)頂刊 PRL 上，光學(xué)拓?fù)浣^緣體的理論暌違三年終于正式問世。 2009 年，MIT 物理系科學(xué)家 Zhen Wang 和 Yidong Chong，首次通過實驗實現(xiàn)了二維光學(xué)拓?fù)浣^緣體，開啟了光學(xué)拓?fù)浣^緣體的實驗研究，相關(guān)論文發(fā)表在 Nature 上。然而，光學(xué)拓?fù)浣^緣體的實驗研究，依然局限于二維空間，三維空間的相關(guān)研究尚屬空白。

2019 年，楊怡豪等人在 Nature 上發(fā)表文章《三維光子拓?fù)浣^緣體的實現(xiàn)》 “Realization of a three-dimensional photonic topological insulator” ，以成功的實驗驗證了三維光學(xué)拓?fù)浣^緣體的研究成果，而這也是世上的首次。 文章中，楊怡豪等人提出了寬頻帶三維光學(xué)拓?fù)浣^緣體的設(shè)計方法，實驗中他們創(chuàng)造性地采用有極強(qiáng)雙各向異性的開口諧振器構(gòu)造單元結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了極寬的三維光學(xué)拓?fù)鋷叮⑻剿髁艘惶揍槍τ谌S拓?fù)涔鈱W(xué)絕緣體的測試方法，進(jìn)而觀測到一種關(guān)鍵特征 —— 三維完全帶隙及二維表面狄拉克錐。 此外，研究團(tuán)隊基于三維光學(xué)拓?fù)浣^緣體，研制了一種可對彎折曲面 “免疫” 的新型電磁波導(dǎo)。楊怡豪等人在實驗中也驗證了在三維光學(xué)拓?fù)浣^緣體表面，光能繞過拐角實現(xiàn)高效地傳播，這一現(xiàn)象被稱作“Z 型三維世界光子的高速公路”。

文章的通信作者之一、浙江大學(xué)陳紅勝教授，是楊怡豪博士時期的導(dǎo)師，也是后者入選《麻省理工科技評論》“35 歲以下科技創(chuàng)新 35 人” 2020 年中國區(qū)榜單的推薦人之一，他對于這項研究表示：“這便是‘光子高速公路’的神奇之處。在這條高速公路上，無論道路多么曲折，光子都能一往無前。” 在物理層面上，該成果率先把三維拓?fù)浣^緣體從費(fèi)米子體系拓展到了玻色子體系；在應(yīng)用層面上，它實現(xiàn)了一個寬帶隙三維光學(xué)拓?fù)浣^緣體，對三維拓?fù)涔饴?、光學(xué)腔、激光等應(yīng)用有著極為重要的意義。該成果發(fā)表于Nature，并被 Physics World、Phys.org、科學(xué)網(wǎng)、國家自然基金委等平臺報道，且入選為2019 年中國光學(xué)十大進(jìn)展（基礎(chǔ)類）、2019 年中國光學(xué)領(lǐng)域十大社會影響力事件?？茖W(xué)最后應(yīng)當(dāng)走向應(yīng)用

業(yè)余的楊怡豪還是一位知乎答主，他曾回答過“什么是光學(xué)拓?fù)浣^緣體” 的問題，并成為 “專業(yè)認(rèn)證” 的高贊回答。對于自己的研究領(lǐng)域，他表示：“我個人覺得，人們已經(jīng)開始對純粹的新概念有些厭倦，光學(xué)拓?fù)浣^緣體需要找到更多更好的應(yīng)用。所以，從這個角度來說，光學(xué)拓?fù)浣^緣體已經(jīng)進(jìn)入下半場，未來將會有更多做應(yīng)用的人加入進(jìn)來?！? 在拓?fù)涔鈱W(xué)的應(yīng)用上，他已經(jīng)有所建樹，其開發(fā)了基于太赫茲拓?fù)涔鈱W(xué)的片上通信，對于實現(xiàn)可集成、高穩(wěn)健性、低成本、高效的太赫茲片上波導(dǎo)有著重要意義，有望應(yīng)用于下一代 6G 移動通信網(wǎng)絡(luò)、物聯(lián)網(wǎng)、芯片內(nèi)及芯片間互聯(lián)（intra-/inter-chip interconnect）和太赫茲集成電路等。 太赫茲電磁波頻率在0.1 至 10 太赫茲之間，隨著人們對高速通信日益增長的需求，太赫茲波由于能夠提供更寬的帶寬，也越來越被重視。

但是，目前的太赫茲波導(dǎo)難以滿足上述重大應(yīng)用需求?；诖?，楊怡豪等人將拓?fù)涔鈱W(xué)引入到太赫茲波，提出了太赫茲拓?fù)涔鈱W(xué)的概念，并設(shè)計實現(xiàn)了一種可集成、低損耗、高穩(wěn)健性、低色散、單模的片上太赫茲拓?fù)洳▽?dǎo)。由于該波導(dǎo)的優(yōu)良性能，研究團(tuán)隊實現(xiàn)了高達(dá) 10 Gbit/s 的太赫茲片上通信，并進(jìn)一步實現(xiàn)了無壓縮 4K 高清影像的實時傳輸，其開拓了太赫茲拓?fù)涔鈱W(xué)方向，基于拓?fù)涔鈱W(xué)的太赫茲器件的通信速率可進(jìn)一步提高至 1 Tbit/s。該成果發(fā)表在國際頂級光學(xué)期刊Nature Photonics，對無人駕駛、精密加工、全息通信、物聯(lián)網(wǎng)等應(yīng)用極為重要。

下一階段，劍指 6G 日后，其研究工作將圍繞針對 6G 無線通信的應(yīng)用展開，他想將太赫茲光源、探測器、天線等集成到太赫茲光學(xué)拓?fù)浣^緣體平臺，開發(fā)出能夠產(chǎn)生、調(diào)制、接收、解調(diào)的太赫茲無線收發(fā)器件，實現(xiàn) 100 Gbit/s 以上的無線通信速度。另一方面，針對太赫茲芯片內(nèi) / 芯片間互聯(lián)，楊怡豪將開發(fā)基于光學(xué)拓?fù)浣^緣體的太赫茲互聯(lián)技術(shù)，實現(xiàn)芯片內(nèi) / 芯片間 20 Gbit/s 以上的高速通信。 如今，楊怡豪博士結(jié)束了在新加坡南洋理工大學(xué)（NTU）的博士后工作，并已回國繼續(xù)從事科研。 NTU 的張柏樂教授，是楊怡豪的老師。前者是2012 年《麻省理工科技評論》全球 “35 歲以下科技創(chuàng)新 35 人”的上榜者，8 年之后楊怡豪“接棒”該榜單，或許是這對師生互相致敬的最好方式。

原文標(biāo)題：曾入選“中國光學(xué)十大進(jìn)展”！31歲浙大科學(xué)家全球首次突破光學(xué)拓?fù)浣^緣體研究，太赫茲互聯(lián)技術(shù)劍指6G

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