對稱性的破缺與強化是設計拓撲魯棒性材料的關鍵要素。在電子和微波系統中，磁場可打破時間反演對稱性，從而構建陳絕緣體。相比之下，在光學頻率下，天然材料無法對磁場產生響應，這對拓撲增強型器件的規模化應用構成了挑戰。

近日，英國 巴斯大學Nathan Roberts， Peter J. Mosley，Anton Souslov等在Nature Photonics上發文，研究利用摻鍺多芯光纖的天然幾何結構，通過在制備過程中扭轉光纖，構建了可擴展的光子陳絕緣體。

光纖內部的扭轉打破了等效時間反演對稱性，并誘導產生贗磁場——這一現象通過光子朗道能級得以實驗觀測。這種扭轉光纖，會通過有效折射率的拋物型分布，引入競爭性的拓撲破壞效應。

通過仿真指導實驗材料設計，還發現了"黃金區域Goldilocks"參數區間：在該區間內實空間陳數得以存續，從而保證了適用于任何對稱類別的制備無序，都具有拓撲保護。

圖1：扭轉光纖概述

圖2：拓撲光纖中，強度邊緣局域化

圖3：光纖拓撲性質的數值表征

圖4：拓撲性質

圖5：拓撲光纖中，針對無序的拓撲保護

實驗采用“堆疊-拉制"法，在純石英包層中排布多個高摻鍺芯子，形成蜂窩狀晶格。拉絲過程中旋轉預制棒，使光纖凍結恒定的扭轉率。在隨動坐標系中，等效于引入了矢量勢，即人造磁場，從而打開了拓撲帶隙。利用光纖的天然幾何特性，實現了可規模化的光子陳絕緣體，在光纖中實現有效時間反演對稱性破缺與贗磁場的實驗觀測。通過結構設計（而非材料本身屬性）可以賦予經典波體系以非平庸的拓撲魯棒性。

參考文獻： 中國光學期刊網

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