2016年诺贝尔物理学奖获得者F. D. M. Haldane及其合作者在2008年通过类比电子系统中的量子霍尔效应[1]，理论上提出光子在时间反演对称性破缺的二维蜂窝晶格磁光光子晶体中的传输，可以表现出与量子霍尔效应中的电子输运相似的行为，即在两个平行边界上可以实现沿相反方向传输的手性单向边界态，这一理论预测很快就在均匀磁化的磁光光子晶体中得到了实验证实[2-4]。
2020年，华南理工大学李志远教授研究团队从理论上提出，通过对二维蜂窝晶格磁光光子晶体中的两个互相嵌套的三角子晶格A和B施加相反的外加磁场，可以在两个平行边界上实现沿相同方向传输的反手性单向边界态[5]。随后，南洋理工大学Baile Zhang研究团队在磁光光子晶体中观测到了这种反手性单向边界态的存在[6]。最近，南京大学陈延峰、卢明辉教授研究团队在具有时间和空间反演双破缺的反手性磁光光子晶体中实现了可重构的光成像[7]。另一方面，南洋理工大学Baile Zhang、Yidong Chong、苏州大学杭志宏教授等研究团队还进一步将反手性边界态的概念拓展到了声学、电学体系中 [8-9]。截至目前，虽然人们已经在不同的物理体系中实现了反手性边界态，但是主要还是聚焦于演示其单向特性以及传输鲁棒性，而对反手性拓扑系统中更为深入的物理性质及其导致的功能器件的研究仍然比较缺乏。华南理工大学李志远教授研究团队依据前期理论基础[5]，在实验中测量了反手性单向边界态，并实现了分束比可调的紧凑型双边四通道拓扑分束。首先，他们构建了一个沿x和y方向分别具有锯齿型以及扶手型边界的矩形蜂窝晶格磁光光子晶体结构，通过对两个相互嵌套的三角子晶格A和B施加相反磁场，在实验中观察到了反手性单向边界态的存在，演示了反手性边界态的单向传输特性并验证了其传输鲁棒性。进一步，他们通过投影能带、场传输以及透射谱，发现只有锯齿型边界支持反手性单向边界态的存在，而扶手型边界上不支持任何边界态。最后，他们利用反手性单向边界态的独特性，通过组合两个被施加相反磁场的矩形反手性磁光光子晶体，设计实现了紧凑型的双边四通道拓扑分束，并分别从理论和实验上展示了这种拓扑分束具有高传输效率、分束比可调、抗背向散射、抗能量串扰和免疫金属障碍物等特性。该工作不仅对拓扑光子学基础物理的基本理解具有重要意义，而且还对设计新型拓扑光子器件提供了有用见解和思路，可用于构建紧凑型多通道单向波导和拓扑分束器等关键性非互易光子器件。
图1 反手性磁光光子晶体的实现。（a）反手性磁光光子晶体；（b）蜂窝晶格的第一布里渊区；（c）非磁化磁光光子晶体；（d）均匀磁化磁光光子晶体；（e）交叉磁化磁光光子晶体
图2 紧凑型双边四通道拓扑分束。（a）实验样品。蓝色虚线表示两块反手性磁光光子晶体的边界；（b，c）仿真计算结果：（b）无金属障碍物；（c）存在金属障碍物；（d‑k）实验测量结果：（d‑g）无金属障碍物；（h‑k）存在金属障碍物