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高校科技进展获悉，日前，南京大学陈延峰教授团队、王振林教授团队合作，首次理论提出并实验证实了高阶量子自旋霍尔效应，这是高阶光子拓扑绝缘体方面取得的又一重大突破性研究成果。

年，美国物理学家霍尔在研究金属导电机制时发现了霍尔效应。年后，德国物理学家克利青等在研究极低温度和强磁场中的半导体时发现了量子霍尔效应，美籍华裔物理学家崔琦和美国物理学家劳克林、施特默在更强磁场下研究量子霍尔效应时发现了分数量子霍尔效应。几位物理学家，因在霍尔效应方面取得的重大发现，纷纷获得了诺贝尔物理学奖。

德国物理学家克利青

我国科学家同样一直开展针对霍尔效应的科学研究。斯坦福教授张首晟与复旦的大学合作开展的量子自旋霍尔效应的研究，后来在实验中被证实，研究成果被《科学》杂志评为年十大科学进展之一；清华大学副校长、中国科学院院士薛其坤，带领科研团队首次在实验中发现“量子反常霍尔效应”，引起了全球科技界的轰动，该成果被著名的物理学家、诺贝尔物理学奖杨振宁称为“诺贝尔奖级”成果。此次，南京大学陈延峰教授团队、王振林教授团队合作发现的“高阶光学量子自旋霍尔效应”，又一次代表中国科学家在基础学科领域发出了强有力的“中国声音”。

量子反常霍尔效应新闻发布会

据悉，该研究成果已以“Higher-OrderQuantumSpinHalleffectinaPhotonicCrystal”为题在线发表在最新一期的NatureCommunications上。南京大学解碧野、苏光旭、王洪飞、詹鹏、卢明辉、王振林、陈延峰、胡露芒、余思远，以及日本关西学院刘丰博士（现任职于宁波大学）等，在本次重大发现中均做出了重要贡献。

科研团队成员表示，为观察到一维拓扑边界态和其中的光量子自旋霍尔效应，我们首先考虑将平庸格子和非平庸格子矩形拼接（如图-2a），利用手性源激发，我们可以观察到对于左旋光（右旋光）源，光波被选择性向左（右）传播（如图-2c-d），其在动量空间投影能带中体现为两条斜率相反的隙中态（mid-gapstate）（如图-2b）；为了观察到零维拐角态，我们将两种晶格进行一种六角拼接，形成一个六边形封闭的界面，其具有六个拐角（如图-2e）。

图-1.a.二维高阶拓扑光子绝缘体中存在的二维体态，一维边界态和零维拐角态。这些态在频域上是分开的。b.1/2贋自旋自由度是由元胞内的面内磁场矢量构型刻画的。c.通过在边界上放置手性源，利用左旋光和右旋光可以实现对不同拐角处光场的局域。

图-2.a.矩形拼接和一维边界及相关的结构参数。b.投影能带中的具有自旋的拓扑边界态。c-d.通过在边界上放置手性源，利用左旋光和右旋光可以实现对不同方向的电磁波传播。e.六角拼接结构的本征模式计算。f.拐角态的本征模式场分布和受激发后的场分布。

图-3.a.半六角拼接和手性源。B半六角拼接的本征模式计算。c.较低频率拐角态的场分布和贋自旋。d.较高频率拐角态的场分布和贋自旋。

图-4.a.LCP源激励下A和B点的模拟局域场强。b.RCP源激励下A和B点的模拟局域场强。cLCP源激励下A和B点的实验局域场强。d.RCP源激励下A和B点的模拟局域场强e.LCP源激励下，实验（上）和模拟（下）的场分布。f.RCP源激励下，实验（上）和模拟（下）的场分布。

本研究首次理论提出并实验验证了光的高阶量子自旋霍尔效应。南京大学科研团队成员介绍，该研究结果为进一步研究高阶光子拓扑绝缘体的自旋极化提供基础。此外，从应用的角度考虑，本研究为将来实现新型自旋拓扑激光、具有自旋的多光子高阶拓扑量子态、手性量子发光点等提供潜在可能。

据了解，该研究项目获得了科技部国家重点研发计划，国家自然科学基金委，人工微结构科学与技术协同创新中心、江苏省杰出青年基金、江苏省特聘教授计划等项目的支持。

来源：高校科技进展，编辑：李伟