2026年3月27日——早在1980年，诺贝尔奖得主克劳斯·冯·克利青在维尔茨堡工作期间，首次通过量子霍尔效应展示了拓扑电荷传输现象。2006年，维尔茨堡大学劳伦斯·莫伦坎普教授首次通过实验证实量子自旋霍尔效应是拓扑绝缘体的本征特性。这两种现象都能保护电子免受散射干扰。

如今，维尔茨堡大学应用物理系主任、ctd.qmat卓越集群（量子物质复杂性与拓扑动力学研究中心）首席研究员塞巴斯蒂安·克莱姆特，与一支国际团队成功将这些效应转移到混合量子材料中。该团队近期刚被任命为维尔茨堡大学实验物理学I讲席教授。为实现这一突破，研究人员使用了极化激元——光（光子）与物质（激子）的混合态。这些粒子形成于“微柱”结构中，这种微型半导体结构能使光与物质产生强相互作用。

实验在维尔茨堡大学西蒙·维德曼教授领导的应用物理系完成。理论框架是与ctd.qmat首席研究员、理论物理学I讲席教授罗尼·托马勒以及新加坡南洋理工大学的研究人员合作构建的。

突破点：通过定向材料设计实现赝自旋

“我们的微结构比人类头发直径小得多。我们在洁净室中对其进行工程化设计，使激光具备独特性质。所展示的拓扑光传输现象及其底层效应，为拓扑极化激元激光器和光学信息处理开辟了新途径，”克莱姆特解释道。

该团队将砷化镓（GaAs）加工成椭圆形微柱链。当激光照射样品时，光子与激子相互作用形成混合极化激元。反射镜层将这些粒子限制在微柱内，其行为类似于拓扑传输中的电子：“微柱的椭圆形状及其耦合角度会产生所谓的人工规范场。就像磁场作用于电子那样，这个规范场决定了极化激元的行为，”克莱姆特补充道。

在这个混合材料系统中，几何结构导致光产生左旋或右旋圆偏振——即电场顺时针或逆时针旋转。这两种偏振态沿相反路径传播，形成了量子自旋霍尔效应的光学模拟。“光的圆偏振充当了赝自旋角色，”克莱姆特指出。

光-物质混合粒子：新技术的钥匙

这项发表于《自然·通讯》的研究成果，为拓扑极化激元激光器、自旋晶体管和光学信息处理等应用开辟了新可能。在此背景下，光的偏振态还可作为信息载体使用。