近日，南方科技大学电子与电气工程系高振副教授团队首次在时间反演对称性破缺的三维非均匀磁性外尔光子晶体中实验实现了费米弧三维光学量子霍尔效应并直接观测到其典型特征-单侧手性棱态。相关成果以“Three-dimensional photonic quantum Hall effect of Fermi arcs”为题发表在National Science Review上。
自1980年发现二维量子霍尔效应以来，探索其向更高维度的拓展一直是凝聚态物理学的前沿研究热点。近年来，南科大卢海舟教授团队发现在拓扑半金属中存在由相对表面的一对费米弧连接而成的完整回路，在磁场作用下可形成独特的费米弧三维量子霍尔效应(Three-dimensional quantum Hall effect of Fermi arcs)。该效应最显著的特征是沿对角棱单向鲁棒传输的单侧手性棱态(One-sided chiral hinge states)。然而，此类高阶拓扑态从未在任何物理系统中被直接观测到。
针对这一难题，基于时间反演对称性破缺的非均匀三维磁外尔光子晶体，研究团队利用结构梯度引入等效赝磁场构造手性朗道能级，首次在光学系统中实验观测到费米弧三维光学量子霍尔效应及其单侧手性棱态。研究结果表明，这些稳健的手性棱态具有单向传输和背散射免疫特性，且能够通过调节赝磁场或工作频率在两对棱之间实现切换。该研究成果不仅为费米弧三维量子霍尔效应提供了新的实验验证，也为三维立体空间中的光信息鲁棒传输构建了全新的物理机制，在鲁棒三维拓扑光学器件(如隔离器、单向波导等)方面具有潜在的应用价值。
研究团队首先从三维Haldane模型出发，通过在空间上非均匀地调节晶格内耦合强度比，使得外尔点在动量空间中沿特定方向(kx)均匀移动，从而等效地产生一个面内赝磁场。该赝磁场将体态和表面费米弧都量子化为朗道能级，并在有限尺寸样品中催生出局域于前表面一边与后表面对角边的单向手性棱态。
为实现这一方案，研究团队构建了非均匀的磁性外尔光子晶体。该晶体由夹在永磁体之间的方形钇铁石榴石(YIG)柱周期排列而成，永磁体提供打破时间反演对称性的恒定磁场，而逐层改变YIG柱的横截面长宽比则精确控制了每一层结构的面内耦合，形成设计所需的赝磁场。微波频段的体态色散测量数据则清晰展示了具有相反群速度的手性朗道能级。
更为重要的是，研究团队首次直接观测到该单侧手性棱态(图4)。实测场分布图显示，在约9.88 GHz的频率下，棱态被严格束缚在一侧棱上并单向传输，前后表面的棱态位于彼此对称的对角棱边上。通过反转赝磁场的方向，棱态可被切换至另一对对角棱边。即便在传输路径中插入金属障碍物，棱态仍能无背向散射地平滑绕行，其左、右向传输信号的高对比度(图4i)充分验证了其拓扑保护的单向性与强鲁棒性。
综上所述，研究团队基于非均匀三维磁性外尔光子晶体首次实验实现了费米弧三维光学量子霍尔效应并直接观测到费米弧手性朗道能级和单侧手性棱态。本研究不仅为探索三维量子霍尔物理搭建了理想平台，也为设计具备强鲁棒性的光子器件开辟了新的路径。展望未来，其他量子霍尔效应的经典对应——比如外尔半金属中的三维量子反常霍尔效应以及四维量子霍尔效应——同样有望在三维旋磁光子晶体中实现。
南方科技大学为论文第一单位，南方科技大学硕士研究生吴政霆、程敏奇为论文共同第一作者，高振为唯一通讯作者。此外，南方科技大学博士研究生王子尧、陈景明，南方科技大学本科生徐思琦(现麻省理工学院博士研究生)，南方科技大学访问学者孟岩副教授，东莞理工学院郗翔博士，香港中文大学教授孙贤开，南方科技大学讲席教授沈平、卢海舟等也为该研究工作作出重要贡献。本研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、新基石科学探索奖、广东省基础与应用基础研究基金、广东省量子科学战略专项、深圳市科技创新委员会项目、高水平专项基金等项目支持。
