31 歲的楊怡豪，負笈南洋求學之后，帶著博后期間的“顛覆級”成果，毅然選擇回到母校浙江大學工作。 2020 年末，其憑借首次實驗實現(xiàn)三維光學拓撲絕緣體、實現(xiàn)基于太赫茲拓撲光學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 “拓撲” 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有關(guān)的研究。博士后研究期間，楊怡豪開始選擇拓撲光學作為自己的研究方向。 拓撲絕緣體：繼石墨烯之后的”Next Big Thing” 拓撲，是英文單詞 Topology 的中文音譯。Topology 原本是一個數(shù)學分支，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撲結(jié)構(gòu)。

在拓撲物理學中，最火熱的研究概念莫過于拓撲絕緣體，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，并被認為是繼石墨烯（2010 年諾貝爾物理學獎）之后的”Next Big Thing”，它對基礎物理的理解以及半導體器件的應用都有很大的價值。 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獎，以表彰他們在理論上發(fā)現(xiàn)了物質(zhì)的拓撲相變和拓撲相。該領(lǐng)域最簡單的應用是電子拓撲絕緣體，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，因此在半導體器件上有著潛在應用價值。

而拓撲光學是一個新興的方向，它將拓撲自由度引入光學系統(tǒng)，從根本上改變?nèi)藗儗獾恼J識和利用。楊怡豪告訴 DeepTech ：“其實，光學拓撲絕緣體是電子拓撲絕緣體的泛式，它將電子拓撲絕緣體的概念運用到光學上。” 光學拓撲絕緣體（PTI，Photonic Topological Insulators）是對電子拓撲絕緣體的模擬，最直接的性質(zhì)就是作為光的 “絕緣體”—— 不透光，但是邊界卻可以導光，即可以支持一種表面波模式。 因此，光學拓撲絕緣體能做成具有特殊功能的波導來傳遞光信號，例如有些光學拓撲絕緣體的表面波有單向傳播的特性，所以當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。

圖 | 光學拓撲絕緣體，它的表面態(tài)可以對缺陷和障礙物免疫（來源：楊怡豪） 當然以上只是光學材料的表象，更深層的物理在于其能帶的拓撲特性。雖然能帶理論早已經(jīng)被引入光學，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。 首次三維光學拓撲絕緣體實驗驗證

前文提到的諾獎得主鄧肯?霍爾丹，是最早提出光學拓撲絕緣體的科學家之一。2005 年，霍爾丹試圖將拓撲絕緣體的理論拓展到光學體系，這一大膽想法曾引起質(zhì)疑與爭議，論文直到 2008 年才發(fā)表在物理學頂刊 PRL 上，光學拓撲絕緣體的理論暌違三年終于正式問世。 2009 年，MIT 物理系科學家 Zhen Wang 和 Yidong Chong，首次通過實驗實現(xiàn)了二維光學拓撲絕緣體，開啟了光學拓撲絕緣體的實驗研究，相關(guān)論文發(fā)表在 Nature 上。然而，光學拓撲絕緣體的實驗研究，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《三維光子拓撲絕緣體的實現(xiàn)》 “Realization of a three-dimensional photonic topological insulator” ，以成功的實驗驗證了三維光學拓撲絕緣體的研究成果，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拓撲絕緣體的設計方法，實驗中他們創(chuàng)造性地采用有極強雙各向異性的開口諧振器構(gòu)造單元結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了極寬的三維光學拓撲帶隙，并探索了一套針對于三維拓撲光學絕緣體的測試方法，進而觀測到一種關(guān)鍵特征 —— 三維完全帶隙及二維表面狄拉克錐。 此外，研究團隊基于三維光學拓撲絕緣體，研制了一種可對彎折曲面 “免疫” 的新型電磁波導。楊怡豪等人在實驗中也驗證了在三維光學拓撲絕緣體表面，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、浙江大學陳紅勝教授，是楊怡豪博士時期的導師，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撲絕緣體從費米子體系拓展到了玻色子體系；在應用層面上，它實現(xiàn)了一個寬帶隙三維光學拓撲絕緣體，對三維拓撲光路、光學腔、激光等應用有著極為重要的意義。該成果發(fā)表于Nature，并被 Physics World、Phys.org、科學網(wǎng)、國家自然基金委等平臺報道，且入選為2019 年中國光學十大進展（基礎類）、2019 年中國光學領(lǐng)域十大社會影響力事件。科學最后應當走向應用

業(yè)余的楊怡豪還是一位知乎答主，他曾回答過“什么是光學拓撲絕緣體” 的問題，并成為 “專業(yè)認證” 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，光學拓撲絕緣體需要找到更多更好的應用。所以，從這個角度來說，光學拓撲絕緣體已經(jīng)進入下半場，未來將會有更多做應用的人加入進來。” 在拓撲光學的應用上，他已經(jīng)有所建樹，其開發(fā)了基于太赫茲拓撲光學的片上通信，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有著重要意義，有望應用于下一代 6G 移動通信網(wǎng)絡、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，目前的太赫茲波導難以滿足上述重大應用需求。基于此，楊怡豪等人將拓撲光學引入到太赫茲波，提出了太赫茲拓撲光學的概念，并設計實現(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撲波導。由于該波導的優(yōu)良性能，研究團隊實現(xiàn)了高達 10 Gbit/s 的太赫茲片上通信，并進一步實現(xiàn)了無壓縮 4K 高清影像的實時傳輸，其開拓了太赫茲拓撲光學方向，基于拓撲光學的太赫茲器件的通信速率可進一步提高至 1 Tbit/s。該成果發(fā)表在國際頂級光學期刊Nature Photonics，對無人駕駛、精密加工、全息通信、物聯(lián)網(wǎng)等應用極為重要。

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拓撲絕緣體平臺，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)基于光學拓撲絕緣體的太赫茲互聯(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（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。

原文標題：曾入選“中國光學十大進展”！31歲浙大科學家全球首次突破光學拓撲絕緣體研究，太赫茲互聯(lián)技術(shù)劍指6G

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