浙江大学谭德志团队实现拓扑光子学突破：发现可任意定位的“准角态” | 前沿进展

浙江大学光电科学与工程学院、极端光学技术与仪器全国重点实验室谭德志研究员课题组首次在二维弱拓扑绝缘体中实现了一类全新的零维拓扑态——“准角态”。这项发现突破了传统高阶拓扑绝缘体对旋转对称性的依赖，首次实现了拓扑态在缺陷处和边缘的可任意定位，为拓扑光子器件的设计与应用开辟了新方向。相关成果发表于Nature Communications（论文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-026-76594-1）。

传统理论认为，二维系统中的零维拓扑态（如角态）是受整体对称性保护的“体拓扑”现象，其位置通常被限制在晶格的物理角落或具有特定旋转对称性的缺陷中心。然而，浙江大学团队的研究颠覆了这一认知，他们通过构建具有各向异性跃迁的二维蜂窝晶格，发现其存在三种“弱拓扑相”。在这些弱拓扑相中，体系的“Wannier电荷中心”可以位于晶胞中三个不同的键中心；当这些键中心因缺陷（如一个原子空位）而断裂时，便会在该断裂处形成高度局域的零维拓扑态——“准角态”。

该研究的核心创新在于，准角态的出现与否，不依赖于晶格的宏观对称性，而仅取决于缺陷位置是否包含Wannier电荷中心。这一“外禀”拓扑分类机制意味着，拓扑零维态可以被放置在晶格中任意通过缺陷定义的“边界”上，无论是单个空位、多个空位，还是任意形状的边缘，都满足这一规律。

研究团队在玻璃中利用飞秒激光直写技术制备了三维光子波导阵列，通过单波导注入法对该效应进行了实验观测。

• 单缺陷下的可调定位：在单个空位缺陷附近，通过施加不同的单轴应变，团队成功在三个不同位置（A1, A2, A3）独立激发了准角态。这直接证明了通过应变可以“切换”拓扑态的空间位置，实现了拓扑相在实空间中的编程。

• 多缺陷耦合与长程泵浦：在多缺陷体系中，准角态之间可产生拓扑保护的耦合效应。实验展示了一种新颖的拓扑电荷泵浦方案：在具有两个缺陷的晶格中注入光，光束可在两个远距离的波导间发生周期性振荡和传输，振荡周期和耦合强度可由应变和缺陷间距精确调控。这为构建可编程的拓扑光路提供了全新可能。

• 任意边界与鲁棒性：研究进一步表明，准角态同样存在于周期性边缘（如锯齿形边界）。更重要的是，通过引入随机位移无序，实验证实了准角态对一般性无序具有强大的鲁棒性，即使在中等程度的无序下仍能保持局域。

该成果的理论框架为高阶拓扑绝缘体提供了一个全新的视角。作者提出的实空间解析表达式和Z₂×Z₂弱拓扑指标，不仅给出了准角态存在的严格判据，更揭示了拓扑态与缺陷几何之间的普适性“体-缺陷对应”关系，为研究非晶态拓扑绝缘体奠定了基础。

浙江大学团队的这项突破性工作，将拓扑态的定位从“设计拓扑”时代推进到了“编程拓扑”时代。通过简单的应变或缺陷工程，即可在光子芯片上按需创建、移动和耦合零维拓扑态，这对于发展拓扑多模激光、高容量拓扑光通信、拓扑量子计算以及可编程拓扑光子器件具有重要的推动作用。

该工作得到了邱建荣教授的重要指导和帮助，也得到了国家自然科学基金委项目及浙江省杰出青年基金项目等的资助。