物理科学与技术学院、高等研究院徐红星教授课题组与西班牙光子科学研究所（ICFO）F. Javier García de Abajo教授合作，在石墨烯等离激元的拓扑特性研究方面取得新进展，相关成果以“Topologically protected Dirac plasmons in a graphene superlattice”为题在Nature Communications上发表。论文作者包括潘登、余睿、徐红星和F. Javier García de Abajo。

光子在光学回路中的传输会因为光路的弯曲和缺陷而产生背向散射。这种散射不但会造成信号强度的损失，而且会产生附加的噪声。与电子的拓扑态类似，光学拓扑态可以避免背向散射的发生，且其传输不受边界形状和缺陷的影响。诺贝尔奖获得者Haldane教授通过类比电子的量子霍尔效应最早于2008年提出：在周期性光学结构中利用材料的磁光特性打破时间反演对称性，可以实现单向传输的边界模式。之后，这种光学霍尔拓扑态在微波波段的实验中得到验证。与之后研究中提出的光学拓扑绝缘体相比，光学霍尔拓扑态更容易在简单结构和材料中实现；更重要的是，因为时间反演对称性的破坏，光学霍尔拓扑态完全不存在背向散射的通道，从而更加稳定。但是，由于普通材料的磁光响应在高频率波段非常微弱，高工作频率和高集成化的光学霍尔拓扑态难以实现。

石墨烯上可以传输高度局域的等离激元。中红外光源（5~10微米）激发的石墨烯等离激元波长仅为几百纳米。这种高局域特性可以使石墨烯中的光与物质相互作用得到巨大增强，石墨烯因此也成为一种构建高集成化的新功能光学器件的重要光学材料，相关研究成为当前前沿热点。有实验研究表明，石墨烯的磁光特性在红外波段得到很大增强。徐红星教授课题组的论文指出：石墨烯的这种强磁光特性可以用来实现高工作频率和高集成化的等离激元霍尔拓扑态。

图1. 左：等离激元在六角形石墨烯超晶格中形成局域态（1, 2）和单向传输的边界态（3）；右：石墨烯超晶格结构中边界等离激元的电场分布。

他们设计了一种由石墨烯纳米带组成的六角形超晶格。石墨烯纳米带可以看作传输等离激元的波导。当施加几个特斯拉的磁场时，等离激元在超晶格中节点上的散射具有显著的取向性（如图所示），这种行为可以类比电子在磁场中的曲线运动。他们的理论计算结果表明：当仅施加2特斯拉磁场时，在超晶格的内部，等离激元会围绕六角形单元或者超晶格中的缺陷运动，形成局域态；而在超晶格的边界上，等离激元形成单向传输的边界态，其传输不存在反射且不受边界形状的影响。该工作在单原子层结构上实现了高工作频率的等离激元拓扑态。研究中的六角形超晶格是由纳米波导组成的光学网络，可以为进一步的拓扑非互易光计算研究提供平台。

该研究得到国家重大科学研究计划项目、国家自然科学基金项目等的资助。

附论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-017-01205-z