據中國激光雜志社網，于2025年10月28日報道，當光從一種介質進入另一種折射率不同的介質時，通常會發生反射和折射，且折射光束始終位于法線的另一側。然而，超材料的出現打破了這一常識：通過特殊設計，折射光可與入射光位于法線同側，這一現象被稱為負折射。隨著拓撲光子材料的發展，科學家們進一步發現，光在拓撲界面不僅能實現負折射，還能實現無反射的單向傳播，出射效率接近100%。這為高效、無損光路調控帶來了新的機遇。但現有拓撲負折射方案存在一個關鍵問題：光子能帶被鎖定在高對稱點，動量難以調控，導致光束方向單一，限制了其在激光雷達（LiDAR）、自適應天線和5G通信等需動態調控應用中的潛力。
針對這一瓶頸，華南理工大學李志遠教授團隊提出了一種可調拓撲負折射方案。該方案利用反手性拓撲態在動量空間中的廣泛分布，通過調節激發頻率或外加磁場，靈活控制入射光的布洛赫波矢，使光束折射角可在?38°至12°范圍內連續可調，并實現負折射與正折射的自由切換。拓撲保護還確保了出射光束的高效率與方向穩定性，即使存在缺陷也不受影響。
研究內容與成果
光的折射遵循斯涅爾定律，本質是入射光與折射光的面內動量守恒。因此，只要能在大范圍內調控入射拓撲態的布洛赫波矢??，就能精確控制折射方向（圖1a）。研究團隊在交替磁化的反手性磁光光子晶體中構建波導通道（圖1d），該結構支持單向傳播的拓撲光子態，其能帶跨越K' 和K 點，具備極寬的波矢可調范圍Δ??（圖1b）。通過調節激發頻率，可在二維動量空間中大幅移動拓撲態，進而實現從負折射到正折射的連續調控（圖1c-1d）。
拓撲光子態的傅里葉光譜驗證了這一機制：頻率升高時，拓撲態在動量空間沿拓撲光子態在動量空間沿K'-M-K路徑顯著移動（圖2a）。依托拓撲保護特性，該光子態在波導中遇到金屬障礙物也能迅速恢復傳輸，使折射效率不受干擾（圖2b）。隨著激發頻率升高，出射光從負折射角逐漸偏轉為正折射角。
團隊還提出磁場調控方案，通過控制光子晶體腔與磁鐵間的間隙距離調控磁場強度（圖3a-3b），在固定頻率下可實現折射角從-38°到+12°范圍的連續掃描（圖3c-4e），避免了頻率掃描對帶寬源的依賴。
“這項工作借助斯涅爾定律，將拓撲材料內部自由度的調控轉化為對自由空間光束的精準操控，不僅實現了負折射到正折射的連續調控，還展示了魯棒的大角度動態波束掃描能力?！崩钪具h教授表示，“這是我們團隊自2020年首次提出反手性拓撲光子態研究以來的重要延續，也為拓撲光子學向通信、雷達等應用落地提供了新的設計理念與路徑。”
主要作者簡介
鄭義棟
華南理工大學物理與光電學院
研究方向：微納光學、拓撲光子學
鄭義棟, 華南理工大學22級博士研究生，主要從事微納光學與拓撲光子學研究，作為第一/共一作者身份在Physical Review Letters、Photonics Research、Chinese Physics Letters 等期刊發表多篇學術論文。
李志遠
華南理工大學物理與光電學院
研究方向：非線性光學、微納光子學、拓撲光子學等
李志遠, 博士生導師，國家杰青，華南理工大學物理與光電學院教授、副院長，廣東省珠江人才計劃雙創團隊負責人。研究領域涵蓋微納光子學、非線性光學、激光技術、拓撲光子學、納米顯微成像、光鑷技術、微納尺度光物理和量子光學、基礎電磁學理論和基礎量子物理理論等。至今已在SCI收錄的物理學、化學、光學和材料科學期刊上發表論文520篇，其中包括PRL、Nature Commun.、Science Adv.、Chem. Soc. Rev.、JACS, Adv. Mater.、Nano Lett.、ACS Nano、Light: Sci. & Appl.、PhotoniX 等高水平期刊論文130多篇。被SCI引用34000次以上，2014、2018年入選全球高被引科學家，2016-2023年入選愛思唯爾中國高被引科學家。
