拓扑光子学是凝聚态物理和光学高度融合的交叉课题，为电磁波的调控提供了一种全新的操控平台。对于传统拓扑材料（如拓扑绝缘体、拓扑半金属和拓扑超导体），最显著的物理特征是其能谱的体-边对应关系(bulk-edge correspondence)，常被作为区分和表征拓扑材料的方法。最近十年来，随着物理理论、材料计算和材料制备技术的进步，人们提出并发现了很多由晶体对称性所保护的拓扑材料（即拓扑晶体材料，包含拓扑晶体绝缘体、拓扑晶体半金属、拓扑晶体超导体）。这些材料往往不遵循体-边对应关系，甚至很难通过能谱确定他们的拓扑指标。这成为拓扑物理中实验和材料研究的一大挑战。
旋错是晶体中会自然形成、很常见的一种缺陷结构。在此项工作中，作者设计提出一种基于具有C6对称性的光子晶体的人工光子旋错模型，发现在体-旋错对应关系中，旋错可以诱导出分数电荷（如图1），且分数电荷的值完全依赖于拓扑晶体材料的拓扑指标。由此，可以通过测量旋错诱导的分数电荷判断出材料的拓扑指标。
图1. 拓扑绝缘体的体-旋错对应关系。
作者指出这种旋错拓扑晶体绝缘体还会存在拓扑诱导的局域态。该局域态具备非常稳定的电磁性能，可作为未来新型光学微腔的设计。他们进一步类比电子系统，利用Purcell效应的经典对应测量光子的局域态密度，并以此间接测得旋错导致的分数化的电荷5/2（如图2）。这些验证和发现为拓扑物理和材料的研究开辟了新的道路和方向，突显了光子晶体和超材料在基础物理研究中的重要价值，为未来构造光拓扑器件原型提供了理论基础。
图2 旋错光子晶体态密度表征和分数电荷计算
此项工作苏州大学刘洋、林志康和南京大学19级硕士生梁树炜和李飞飞副研究员为论文的共同第一作者，苏大蒋建华教授和南大蒲殷副教授为论文的共同通信作者。电子学院18级硕士陶秀锋在实验设计、测量和结果分析等方面做出了重大贡献。该研究工作得到了国家自然科学基金委、江苏省优势学科和中央高校等项目和平台的资助，以及南京大学电子科学与工程学院的大力支持。
全文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-020-03125-3
