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轴子绝缘体（AXIs）中具有非互易铰链传输的手性铰链态尚未被实验观测到。研究人员构建基于三维类反铁磁结构的光子 AXIs，观测到非共面手性铰链态和非互易传输。该成果丰富了拓扑光子学，为研究磁性拓扑相开辟新途径。
在凝聚态物理的奇妙世界里，拓扑态材料一直是科研人员探索的热门领域。其中，磁性拓扑相（MTPs）由于涉及电子自旋和轨道产生的长程磁性，与全局拓扑相互作用复杂，其理论预测和实验实现都困难重重 。轴子绝缘体（AXIs）作为一种独特的三维 MTPs，具有由反转对称性保护的非平凡
Z4相，能展现出如量子化法拉第和克尔旋转、半整数表面霍尔响应等令人惊叹的拓扑磁电现象。然而，其关键的拓扑特征 —— 具有手性谱流的高阶一维无带隙铰链态，尽管在理论上被预测存在，但始终未在实验中被观测到，这就像一颗遥不可及的星星，吸引着科研人员不断探索。
为了攻克这一难题，南京大学的研究人员勇敢地踏上了探索之旅。他们开展了关于构建光子轴子绝缘体并观测其手性铰链态的研究。最终，他们成功实现了基于三维类反铁磁结构的光子 AXIs，首次直接观测到了其稳健且非共面的手性铰链传输，这一成果如同在黑暗中点亮了一盏明灯，为该领域的研究带来了新的曙光。相关研究成果发表在《Nature Communications》上，引起了广泛关注。
研究人员在此次研究中主要运用了以下关键技术方法：首先，通过商用软件 COMSOL（RF 模块），基于有限元方法进行数值模拟，计算能带结构和场分布 ；其次，构建紧束缚模型，从理论上分析旋磁光子系统；最后，进行实验测量，制作分层的实验样品，利用矢量网络分析仪激发和记录电磁波，从而获取相关数据。
下面来详细看看研究结果：
- 3D AXIs 堆叠自 2D：从二维（2D）单层量子反常霍尔（QAH）材料出发，当采用铁磁阵列堆叠形成三维（3D）结构时，1D 手性边缘态会扩展为 2D 无带隙侧面表面态；而采用反铁磁阵列堆叠时，会形成 AXIs，出现非共面手性铰链态 。这一结果揭示了从 2D 到 3D 磁性结构转变过程中拓扑态的变化规律。
- 3D 光子 AXIs 的配置：设计的光子 AXIs 基于相邻层的类反铁磁堆叠，由 A、B 层构成，层间通过精心设计的金属铜板连接，形成具有特定对称性的结构。该结构在 11 - 11.7GHz 存在完全带隙，通过分析布里渊区高对称点处低能带的奇偶性，确定其可由Z4拓扑不变量表征，属于 AXI 相，实验测量的体传输光谱也证实了带隙的存在 。这为后续观测手性铰链态奠定了结构基础。
- 1D 手性铰链态：对奇数层（如 15 层）四方晶格样品的 12 个铰链进行标记，发现其中 6 个为手性铰链（C1 - C6），形成闭合手性环，其余为平凡铰链（T7 - T12）。数值计算和实验测量的铰链色散结果相符，手性铰链在 11 - 11.4GHz 呈现无带隙单向手性行为，而平凡铰链在带隙区域无观测到的状态 。这是首次直接观测到光子 AXIs 的 1D 手性铰链态，意义重大。
- 非共面手性铰链传输：模拟和实验均证实了在光子 AXIs 中存在非共面手性铰链传输。在特定频率下，激发顶点后，能观测到电磁波主要局域在铰链周围，且传输具有高效性和非互易性，其频率窗口比完全带隙更宽，从 10.3 - 11.4GHz 都能实现非互易铰链传输，且该传输对各种缺陷具有鲁棒性 。这一特性在光子通信等领域具有潜在应用价值。
- 手性铰链态的可调性：在偶数层（如 14 层）情况下，铰链的对称性和手性会发生变化。由于旋转对称性恢复，部分铰链的性质改变，如铰链 7 和 8 变为手性铰链，而铰链 1 和 2 变为平凡铰链 。通过调整结构（如添加或旋转层间结构），可以进一步调控铰链态。这表明可以通过改变结构实现对手性铰链态的灵活调控。
研究结论和讨论部分指出，尽管计算中使用了非色散磁导率和相同内部磁场，但实验测量与数值结果吻合良好，证明了光子 AXIs 的卓越稳健性。这种由Z4拓扑不变量保护的 AXIs，其非共面闭合手性环的铰链传输与传统的基于 Wannier 基陈数保护的共面手性铰链传输不同，背后的物理机制可由类反铁磁结构中时间反演对称性和镜像对称性破缺导致的非平凡贝里曲率诱导的xy平面虚拟磁场解释 。此外，该研究中的光子 AXIs 虽层数较少，但能模拟二维电子材料的少层情况。这一研究成果不仅为深入理解 AXIs 提供了关键依据，还突出了 2D QAH、3D 量子霍尔和高阶磁性拓扑绝缘体之间的关系，强调了对称性、磁性和拓扑之间的复杂相互作用 。观测到的非共面手性铰链传输为光子通信、微波隔离器和环行器等领域的发展提供了新的方向，这种多功能的光子平台还有望扩展构建多种磁性结构，为研究众多理论预测但实验难以实现的 MTPs 带来了巨大希望，在拓扑光子学和电磁学领域具有深远的意义和广阔的应用前景。
