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/材料科学与工程系何程、陈延峰团队成功研制出基于三维反铁磁构型光子晶体的光轴子绝缘体，直接观测到其标志性拓扑特征：一维异面棱的手性非互易输运。这一结果从理论和实验上揭示了二维量子反常霍尔、三维量子霍尔效应与高阶磁性拓扑物态的关联，丰富了光学拓扑物态，拓展了光操控的自由度，充分展示出人工微结构带隙材料在操控对称性、磁结构、光拓扑能带等方面的优势，具有重要意义。

相关研究经过近一年时间的同行评议后，以Photonic axion insulator with non-coplanar chiral hinge transport为题于近期在线发表于《自然·通讯》（Nature Communications）期刊上。与论文同时公开的审稿文件中，两位审稿人均高度评价为“首次实现了三维光轴子相，是拓扑光子学和拓扑物理领域向前迈出的重要一步”(I find the design of the lattice truly ingenious and experimental results fascinating.For the first time the authors demonstrate 3D axion phase, which is a significant step forward for the field of topological photonics and topological physics in general…This work represents the first example of experimentally observing those effects, which is timely and very interesting...)。

轴子（Axion）概念源于高能物理，作为一种假想的粒子被提出来，用于解决强相互作用下的电荷-宇称问题。轴子这一概念被引入凝聚态物理被称为轴子绝缘体，描述某些拓扑材料中的特殊电磁响应：量子态与电磁场的耦合会产生轴子场（θE⋅B），从而引发诸如量子化的法拉第-克尔旋转、半整数量化表面霍尔效应等一系列新奇的拓扑磁电效应。然而，电子材料的磁性、自旋、拓扑及其相互作用均非常复杂，三维理想磁性结构的按需制备与费米面的精准调控也极为困难。目前，电子系统中轴子绝缘体相关的实验研究还局限于少数几个材料体系，如层状MnBiTe，且以体态的输运测量为主，缺乏对低维边界进行直接观测的技术手段，而往往奇数层和偶数层样品又呈现出截然不同的霍尔响应。这导致了轴子绝缘体的实验研究难以继续深入，特别是其独有的“体-棱”对应关系：非共面一维手性棱传输（图1），虽已在理论上预测多年，却始终未能在实验上被证实。

研究团队构建了具有三维反铁磁构型的磁光光子晶体，如图2所示。在由钇铁石榴石（YIG）软磁材料组成的双层正方晶格阵列中，通过在相邻层的YIG柱子上施加大小相等方向相反的小磁体，形成内建的正反磁极化，制备出了15.5毫米周期点阵的三维反铁磁结构，并进一步通过调控相邻层间不同方向的层间耦合。该磁光光子晶体在打破体系的时间反演对称性和镜面对称性的同时保持了空间反演对称性,磁空间群为P2/c (No.13.65)。能带计算表明，在11 GHz-11.5 GHz微波频段内，其体态和表面态均具有完全带隙，带隙频率内的光不能在三维体内和二维表面上传播。但是，该带隙具有非平庸的拓扑不变量，由Z4 =2刻画，预示其为轴子绝缘体相，光可在更低维的某些一维棱上传播。

在实验上，利用电磁场扫描技术直接测量了所有12条棱的色散，发现其中6条非共面棱具有无能隙的拓扑特性，而另外6条棱是拓扑平庸的。结合传输谱测量，完整且清晰地给出了光轴子绝缘体中非互易、非共面的一维手性棱传播图像（图3）。进一步实验表明，即使存在无序和缺陷的情况下，该手性棱传播依然存在，免疫背向散射，表现出极强的拓扑保护特性。此外，还深入开展拓扑棱态的调控研究，在奇数层和偶数层光轴子绝缘体中观测到了不同类型的非共面单向拓扑棱传输。

该研究的重要意义在于：1、率先实验实现了三维光轴子绝缘体，直接观测到手性棱输运，证实了轴子绝缘体中独特的“体-棱”对应关系；2、拓展了光操控的维度，为在1421种三维磁性空间群中（非磁性空间群仅有230种）开发高性能的拓扑波导、拓扑隔离器件和拓扑环路器提供了全新的原理；3、为研究复杂磁性拓扑物态以及轴子电动力学提供了新的实验平台。论文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，通讯作者为何程和陈延峰教授。工作得到了科技部国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目的支持。