近日，国防科技大学前沿交叉学科学院某团队牵头与湖南大学郭清华教授、香港科技大学陈子亭教授团队合作，原创性地构建了三维光学拓扑态标量理论，并发现了新的电磁波模式，突破了人们对电磁波的传统认知，为拓扑光学的发展开拓了新研究领域和提供了新发展动力。相关研究成果以“标量嵌套拓扑光子晶体和光锥内的斯格明子表面态（Scalar topological photonic nested meta-crystals and skyrmion surface states in the light cone continuum）”为题，于2023年6月22日发表于期刊Nature Materials上。

图1：（a）嵌套结构构建标量三维光子晶体；（b）光锥中的拓扑表面态模式。

受限于电磁波的矢量和多重散射特性，当前三维光学拓扑态的理论架构主要是矢量波动方程，其复杂性导致人们发现、理解和应用新的光学拓扑态较为困难。所以，发展新的理论架构，成为当前拓扑光学领域进一步发展需要解决的一个重要科学问题。该团队首次提出了一种全新的嵌套光子晶体概念和结构，类比凝聚态物理中的s轨道和结合空间群理论，建立了标量拓扑光子晶体理论体系，并利用该理论预测出一类全新的斯格明子（skyrmions）局域电磁表面波模式，该模式能与光锥中的连续态共存，具有高Q值，且可以连续存在于光锥中的任何位置，理论结果与实验数据完全一致。该研究为光学拓扑态的发展提供了新的理论支撑和研究平台。

概念图：标量拓扑光子晶体

国防科技大学前沿交叉学科学院为论文第一单位和通讯作者单位，某团队杨镖副研究员为论文第一兼通讯作者、博士生王涵钰为并列第一作者、朱志宏教授为共同通讯作者。该工作得到了国防科技大学自主科研计划、纳米材料与器件国际合作研究平台的支持。近年来，该团队在Science、Nature、Nature Materials、Nature Physics、Nature Communications和Physical Review Letters等杂志上发表论文30余篇。该团队的系列研究成果，不仅革新了人们对光与物质相互作用的理解，也促进了一系列新型拓扑光学器件的研发，比如拓扑激光器等，有望支撑变革性、颠覆性军事技术发展。