北京
拓扑光子学是一门融合了凝聚态物理拓扑概念和光学理论的交叉学科，其重要原理之一为体边对应关系：如果一个材料的内部能带具有非平庸的拓扑性质，那么它的边界上就通常会出现受拓扑保护的界面态。在一维系统中，这种拓扑界面态的理论源头可以追溯到Jackiw-Rebbi（JR）机制——当系统中某个类似“质量”的参数在空间上由正变负时，在该符号反转的界面（即畴壁）处，会束缚出一个强度向两侧指数衰减、能量为零的局域态。不过，以往人们在普通介质材料（如半导体或电介质）构成的光子体系中实现的JR态，其局域范围通常达数个晶格常数甚至几个波长量级，模式体积偏大，不利于片上光集成。相比之下，等离激元体系（如金属结构）能够将光场压缩到亚波长尺度，为实现高度局域的拓扑界面态提供了物理可能，但要在实验中真正构建出这样的态，仍面临显著的挑战。
近日，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心纳米物理与器件实验室N10课题组基于Su-Schrieffer-Heeger（SSH）模型，设计了一种一维金属-介质光栅结构，并首次在等离激元体系中成功实现了高度局域的JR态。在SSH模型中，拓扑性质由胞内与胞间这两种耦合强度的相对大小决定，而这两者的差值正比于Dirac质量项。实验中，他们通过连续调节金属光栅的宽度以改变质量项符号，从而让整个系统逐渐从拓扑平庸相过渡到拓扑非平庸。紧接着，研究团队将拓扑非平庸与拓扑平庸相的两部分光栅沿着界面精准拼接起来，形成一个Dirac质量符号反转的异质结，通过角分辨反射光谱技术，他们清晰地在该拼接界面处观测到位于光子带隙内的JR态。与具有相同带隙宽度的全介质结构相比，该等离激元JR态的局域长度缩小了大约三倍，有力地证明了金属结构在压缩拓扑界面态模式体积方面的显著优势。
图 等离激元系统中拓扑JR态的原理与实验验证。
该工作表明，借助等离激元特有的慢光色散效应，可将拓扑界面态在横向上的扩展范围压缩到波长量级，从而在完全不牺牲拓扑保护能力的前提下，有效减小模式体积。这一结果打破了拓扑态在传统介质光子体系中固有的尺度限制，为拓扑光子学与纳米光子学的融合提供了一条可行的技术路径。
该研究成果以“Highly Localized Plasmonic Jackiw-Rebbi State from a Topological Phase Transition”为题于2026年7月6日在线发表在《Nano Letters》上。中国科学院物理研究所和燕山大学联合培养研究生付子怡和罗猜为论文共同第一作者，中国科学院物理研究所郭阳副研究员、顾长志研究员，以及燕山大学李健梅博士为共同通讯作者。该研究得到了科技部、国家自然科学基金委员会和中国科学院等项目的资助。
编辑：小鹿
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