南京大学三维光量子反常霍尔材料中跨越维度的手性棱面输运

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文章导读

你正为信号传输中维度失配导致的能量损耗头疼，实验室里传统的光学器件始终无法实现高效耦合。我们发现，南京大学团队造出了一种三维光量子反常霍尔材料，竟能让电磁波在1D棱和2D面之间无缝穿梭，打破“体-边对应”的固有束缚。这种非互易单向输运不是靠强磁场，而是通过磁光光子晶体中的滑移对称性调控实现。更关键的是，它背后藏着一种全新的“边界诱导狄拉克手性反常”机制——这个被长期忽略的物理现象，或许正是通向下一代低损耗光子电路的核心钥匙。如果未来芯片间的光互联能绕开传统瓶颈，你会不会后悔今天没看懂它的起点？

— 内容由好学术AI分析文章内容生成，仅供参考。

南京大学固体微结构物理全国重点实验室,现代工程与应用科学学院/材料科学与工程系的何程、陈延峰团队利用反铁磁构型磁光光子晶体成功研制出了光三维量子反常霍尔材料，观测到其中因单个表面狄拉克锥手性反常所导致的从1D棱到2D面的电磁波非互易单向输运。该研究补齐了磁拓扑物态中手性边界传输的构型拼图，拓展出跨越维度的光操控，充分展示了人工微结构带隙材料在调控对称性、磁序、拓扑及其相互作用方面的优势，具有重要科学意义和应用前景。

磁拓扑是一类重要的拓扑量子物态，四十余年来广受关注，著名的例子如在二维、低温、强磁场系统中实现的整数、分数量子霍尔效应和量子反常霍尔效应，其典型拓扑特征表现为：单向传输的1D手性边界态（chiral boundary states）。前期研究表明量子霍尔效应或可在三维中实现。然而，无需外加磁场的量子反常霍尔效应能否推广至三维，有无特殊传输特性，这一直是学界普遍关心的问题，还尚未在电子系统中实现。

得益于人工带隙材料的体系优势，使得其在微结构样品制备、对称性调控、磁序构建、能带与输运测量等诸多方面更为直接。近年来，研究人员已观测到3D陈绝缘体中的2D手性表面传输，以及该团队前期工作中实现的3D轴子绝缘体中的1D手性棱传输【Nat. Commun. 16, 3826 (2025)】。然而，受“体-边对应关系”限制，对于通常3D拓扑系统，其低维边界模式往往局限于单一维度传播，无法实现跨越维度的高效能量与信息传递。同时，这也是传统光学原理和器件面临的重要挑战之一，因不同维度之间的耦合会因维度/模式的天然失配变得低效。

南京大学三维光量子反常霍尔材料中跨越维度的手性棱面输运

图1 三维磁拓扑材料的手性输运示意图(m为表面狄拉克质量)

针对上述问题，研究团队利用钇铁石榴石（YIG）铁氧体构建了具有三维反铁磁构型的磁光光子晶体，在其相邻层的YIG柱子施加有等大且方向相反的磁场（图2）。该人工功能基元序构材料在打破时间反演对称性的同时保留了具有半周期平移的滑移对称性，属于磁空间群 No.185.200: P63’cm’，并在11 GHz左右频段展现出全带隙，具有受滑移对称性保证的Z₂拓扑不变量，属于拓扑绝缘体相。因此，材料在滑移对称性保持的xz表面存在线性色散的单个狄拉克锥表面态，表面狄拉克质量为零。

南京大学三维光量子反常霍尔材料中跨越维度的手性棱面输运

图2 (a-c)结构示意图及其体能带;（d-e）xz表面的单个表面狄拉克锥;（f）Z₂拓扑

然而，表面的滑移对称性破缺并不总是能保持，如xy与yz表面。那么，该表面模式则会进一步打开带隙，具有或正或负的非零有效狄拉克质量。理论计算与实验测量证实，在由两个相反狄拉克质量表面相交构成的公共棱上，存在无能隙的手性棱态（图3）。该体系同时具备一阶和二阶拓扑特征，表现为不同维度的表面或棱上共存的无能隙2D表面狄拉克锥与无能隙1D手性棱态。

南京大学三维光量子反常霍尔材料中跨越维度的手性棱面输运

图3 (a)手性棱传输场分布;（b）实验测量的C1棱态色散和透射谱;（c）C2棱情形

为保证边界能流守恒，1D棱态与2D表面态势必需要联合起来形成一个非互易的单向手性传输环路。其内在物理机制为：有限尺寸样品结构下（finite-size effect），单个狄拉克锥的2D表面（零狄拉克质量）会与其四个相邻的表面（非零狄拉克质量）相互作用，导致前向与背向波传播模式数失配，形成非互易的单向手性表面传播模式，即边界诱导狄拉克手性反常（surfaces-induced chiral anomaly）（图4）。此时，位于相对xz表面【如（010）面与（010）面】的狄拉克锥会诱导出具有相反群速度的手性表面态，呈现动量-表面锁定（momentum-surface locking）的特征。随后，与手性棱模式一起共同构成非互易的单向1D棱-2D面输运通道与闭合环路（图1）。在应用方面，基于人工微结构带隙材料对称性调控的灵活性，还可按需构建任意单向传输路径。

南京大学三维光量子反常霍尔材料中跨越维度的手性棱面输运

图4 (a)1D棱-2D面传输；（b-c）边界诱导狄拉克手性反常；（d）手性路径调控

该研究的重要科学意义在于：实现了非互易单向1D棱-2D面手性传输，补齐了三维磁拓扑中手性边界的构型拼图；丰富了磁光拓扑物态，实验发现了三维量子反常霍尔效应中跨越维度的手性输运机制；拓展了光操控的维度，为开发理想的垂直耦合器提供了新原理。相关研究以”Chiral hinge–surface transport across dimensions in three-dimensional magneto-optical topological materials”为题，近期在线发表于《科学·进展》期刊上[Science Advances 12, eaeb4171 (2026)] (https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aeb4171)。论文共同第一作者为现代工程与应用科学学院的博士生赖华山、周严琛和硕士生孙泽群。工作得到了国家重点研发计划与国家自然科学基金等项目的支持。