beat365手机官方网站胡瑜泽博士后、童明玉博士后（导师：杨怡豪百人计划研究员、陈红胜教授）基于二维旋磁光子晶体，首次在二维系统中实现了时间反演对称性破缺非阿贝尔晶格模型的构建和拓扑态观测，并揭示了多带隙反手性边界态与非阿贝尔拓扑的深层关联。该研究成果以“Observation of Two-Dimensional Time-Reversal Broken Non-Abelian Topological States”为题发表在综合类顶级学术期刊《Nature Communications》杂志上。

拓扑理论揭示了绝缘体和半金属中奇异现象背后的物理原理，尤其是体拓扑与边界态之间的联系（即体—边对应关系）。传统研究通常聚焦于单拓扑带隙体系，其拓扑不变量满足可叠加性（阿贝尔拓扑不变量）。近年来，研究发现多带隙体系的拓扑物理极其丰富，通过基于矩阵运算群的拓扑不变量可以刻画多个带隙之间的全局几何与拓扑结构，为理解Dirac节点的形成、合并和分裂等现象提供了全新的视角。然而，到目前为止，对一维以上非阿贝尔拓扑态的实验研究仍然仅限于具有时间反演（T）对称性的系统。另一方面，手性边界态作为拓扑物理中最具代表性的现象之一，早在1980年代就已在二维电子气体中被发现。随后，经典Haldane模型揭示了在零净磁通晶格中手性边界态的内在生成机制，强调了时间反演对称性破缺在形成手性边界态中的重要作用。尽管这些拓扑边界态展现了单向传输和抗后向散射等特性，在光电子学和光子芯片中具有重要应用潜力，但当前研究主要局限于基于阿贝尔拓扑不变量的体系，尤其在二维及更高维度体系中，基于多带隙非阿贝尔拓扑的（反）手性边界态探索仍属空白。

针对上述问题，研究人员将手性边界态与非阿贝尔带隙拓扑联系起来，提出了一种具有交错磁通的Kagome晶格。该晶格打破了T和C_2z对称性，但保留了C_2zT对称性，支持非阿贝尔多能带拓扑并呈现丰富的拓扑相。通过在二维旋磁光子晶体中原位调节外加磁场，非阿贝尔拓扑节点以独特的方式创建、编织、合并和分裂。在此过程中，多带隙的反手性边缘态可以灵活的操控和调节，从而产生多频率依赖的定向拓扑边界态波导。

图1 交错磁通Kagome晶格中的非阿贝尔拓扑电荷及其演化过程。

图2 在原位可控外加磁场中实现和观测旋磁晶体中的多带隙反手性边缘态。 

      本研究首次在实验上实现了时间反演破缺的二维非阿贝尔拓扑态，揭示了非阿贝尔拓扑节点与多带隙反手性边界态的深层关联。通过磁场调控，成功验证了非阿贝尔拓扑态的动态演化规律。此类新型光子晶体为未来拓扑光子学和量子材料研究提供了重要理论与实验基础。此外，该研究成果的基本原理可以推广应用于微波及光学等系统，有望在这些领域中实现各类受多带隙拓扑保护的器件。

      beat365手机官方网站杨怡豪研究员、陈红胜教授和中国科学技术大学蒋建华教授为论文的共同通讯作者。此外，国防科技大学江天研究员为该工作做出了重要贡献。该研究受到国家自然科学基金项目、国家重点研发计划、中国博士后创新人才资助计划A档和优秀青年科学家（海外）等基金项目的支持。

相关链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-54403-x