无需绝缘体的“光子高速公路”

传统拓扑光子结构依靠‘拓扑绝缘体’界面来引导单向光传播，但其大部分材料体积处于不导光的绝缘态，导致器件体积大、空间利用效率低——这构成了鲁棒性与紧凑性之间难以兼顾的根本矛盾。本研究另辟蹊径，设计出一种‘无绝缘体’的拓扑光波导：它不依赖传统绝缘体层，而是通过在旋磁蜂窝状光子晶体中协同打破时间反演对称性和空间反演对称性，构造出四种不同的‘光子谷半半金属’（PVHSM）相。将这四种结构按循环方式并列排布，使每个区域既能作为某一种‘谷’（valley）的定向波导，又能作为相邻区域另一种‘谷’的拓扑势垒，从而自然形成多通道、高密度的单向光路。实验与理论均证实：这种结构将原本分散的边界态转化为大面积、紧密排列的单向传播模式；四个区域的光传播方向交替变化（如A区向右、B区向左、C区向右、D区向左），且即使遇到90度急弯或大幅形变，光仍能稳定单向传输、几乎不泄漏到邻近通道。该方案为未来超紧凑、高集成度的光学芯片提供了全新设计范式。