董建文教授与陈文杰教授课题组在磁性能谷拓扑光子学方面取得重要进展

       js65金沙线路总站、光电材料与技术国家重点实验室董建文教授、陈文杰教授研究团队与新加坡南洋理工大学张柏乐教授、西湖大学刘癸庚助理教授开展合作，成功实现了同时具备能谷自由度和单向传输特性的手性能谷边界态（Chiral valley edge states），并基于对边界态中两个能谷自由度的独立调控提出了能谷复用技术（Valley multiplexing）与能谷共生集成技术（Valley symbiotic integration）。在生态学中，共生关系指两种生物共处同一环境而互不干扰。借用这一概念，能谷共生集成技术指在同一空间区域内利用不同能谷自由度实现不同的光学功能器件，且器件间独立运作、互不影响。

       传输损耗是限制光器件性能的关键因素。得益于拓扑保护的抗背向散射传输特性，光学能谷边界态（Valley edge states）可抑制由制备缺陷或大角度转弯引起的背向散射损耗问题，如今被广泛应用于各类光器件的设计。然而，最近有研究表明，这类拓扑保护对晶格尺度的缺陷有效，却无法抵抗如侧壁粗糙等更小尺度的微扰，而这些微扰同样会造成散射损耗。侧壁粗糙目前难以在制备中完全避免，这已成为进一步提升能谷光器件性能的主要障碍。为解决这一问题，研究团队首次提出手性能谷边界态的概念，通过打破时间反演对称性，使边界态在保持能谷自由度的同时获得了单向传输的特性，从而克服了传统能谷器件中的背向散射问题。

       其次，受限于时间反演对称性，传统能谷光子晶体中的两支能谷边界态具有相反群速度，因此实际应用中通常只能独立地使用其中一个能谷态（另一能谷为其时间反演），谷自由度未被充分利用。相比之下，手性能谷边界态可通过合理设计狄拉克质量的空间分布（Dirac mass engineering），独立地调控两种能谷态的传输与局域行为，使得能谷成为一种新的、具有鲁棒性的可复用自由度，为光子芯片的高密度集成提供了新途径。

       在此基础上，为进一步展现能谷自由度的应用潜力，研究团队提出了“共生集成”的概念。作为演示，团队分别针对K能谷与K' 能谷设计Z形传输波导与能量分束器，在空间上进行直接重叠集成（图 1）。由于两个能谷之间不会互相耦合，两种光器件即使在空间上存在交叠，但两者互不干扰。这与生态学中两个物种间的共生关系非常类似。该策略既能显著提升芯片空间利用率，又能为多功能光学集成器件提供新的设计思路。

图1：光学能谷共生集成技术。

       相关成果以“Chiral valley edge states based on Dirac mass engineering”为题，于2025年11月发表在国际期刊《Nature Communications》上。该工作由js65金沙线路总站为第一署名单位，刘俭伟博士（现任新加坡南洋理工大学博士后）、西湖大学刘癸庚助理教授、硕士研究生张泊为论文共同第一作者，董建文教授、陈文杰教授、新加坡南洋理工大学张柏乐教授为共同通讯作者。该工作得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划“物态调控”项目、广东省基础与应用基础研究项目基金、广东省卓越青年团队项目，以及中山大学光电材料与技术国家重点实验室和js65金沙线路总站的大力支持。

论文链接

Liu, JW., Liu, GG., Zhang, B. et al. “Chiral valley edge states based on Dirac mass engineering” Nat. Commun. 16, 11256 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-66126-8