衍射是光束的自然属性。它允许光线绕过障碍物。由于光作为信息的载体，许多技术应用必须减轻衍射的一些扭曲效应。拓扑绝缘体在凝聚态物理中首次亮相，十多年来一直引起人们的兴趣。光子拓扑绝缘体有助于确保光束沿其边缘一致传播。稳健的光子边缘状态是开发片上光子技术的关键。
虽然光子拓扑绝缘体可以确保边缘状态并防止其辐射到绝缘体的主体中，但由于传播过程中的衍射，边缘状态仍然可以沿着绝缘体的边缘变宽或扩展。为了解决这个问题，在光子拓扑绝缘体中引入非线性以构建拓扑边缘孤子。由于衍射和非线性自作用的平衡，孤子是一种在传播过程中保持其形状的孤立波。由此产生的孤子继承了其相应线性拓扑边缘状态的拓扑保护。
拓扑边缘孤子可以有效地防止光束的衍射和辐射问题。迄今为止，它们主要在具有破坏的时间反转对称性的光子拓扑绝缘体中进行研究，这强烈依赖于施加的磁场。然而，光子系统自然对磁场不敏感，因此通常需要对波导结构进行精心设计，这在理论设计和实验实施方面都带来了挑战。
正如高级光子学中报道的那样来自中国西安交通大学和南开大学的研究小组最近发现了一种新的独立于磁场的拓扑边缘孤子。他们使用非线性光折变晶格，利用谷霍尔效应，这是由于调整复合晶格结构中的折射率而发生的。“谷”是晶格能带结构中的一个区域。如果保持晶格的对称性，则可以生成具有其特征沙漏形状的狄拉克锥。通过在空间上调整复合晶格对称性，研究人员产生了 II 型狄拉克锥体的翼状倾斜形状。这些锥体具有根据测量方向而不同的色散特性，并且它们允许准粒子介导的现象在高能或凝聚态物理中不存在类比。谷霍尔边缘孤子继承了其线性对应物的拓扑保护，不需要任何外部磁场。结果是光束坚固、定位并在远距离传播过程中保持其形状。
通讯作者西安交通大学电子科学与工程学院张益奇说：“这项工作为拓扑边缘态的空间操纵提供了一种新方法。我们的研究结果表明，不同物理机制的相互作用可能带来新的可能性在开发光子技术。”作者认为，所展示的方法可能在未来光子芯片的开发中具有潜在应用。除了潜在的应用之外，这一发现还可能有助于加深对非凡物理准粒子的集体理解，例如违反洛伦兹的 II 型狄拉克/外尔费米子。
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