北京大学物理学院现代光学研究所、纳光电子前沿科学中心、人工微结构和介观物理全国重点实验室“极端光学团队”胡小永教授和龚旗煌院士与合作者在局域等离激元拓扑Harper纳米链的超高时空分辨研究中取得重要进展。研究团队提出了一种通过将金纳米盘与连接波导集成来构建合成维度下局域等离激元系统的新方法，克服了传统局域等离激元系统中相互作用范围难以调控的难题，利用超高时空分辨光电子显微镜（PEEM）实验平台，成功观测到拓扑Harper纳米链的拓扑边界态，揭示了其拓扑相变的演化规律。这项工作为在纳米尺度上设计和探测光学拓扑边界态及模式调控提供了新的途径和平台，对片上基于合成维度微纳光子器件的研究具有重要意义。2025年3月16日，相关成果以“合成维度集成等离激元拓扑Harper纳米链的近场成像”（Near-field imaging of synthetic dimensional integrated plasmonic topological Harper nanochains）为题，在线发表于《自然·通讯》（Nature Communications）。

拓扑光子学在集成光子器件和信息处理芯片领域展现出巨大的应用潜力(例如研究团队前期工作：Nano lett. 21, 9270 (2021)；Nanophotonics 13, 1397 (2024))，其中，Aubry-André-Harper（AAH）模型为探索新物理现象和实际应用提供了理想平台。然而，将等离激元AAH拓扑绝缘体集成到芯片上面临着两大挑战：一是对样品中格点之间的耦合强度的制备精度的要求非常严格，二是等离激元纳米结构间隙中的热点效应严重干扰近场测量。针对这一现状，研究团队提出了一种新方法，通过在金纳米盘之间引入不同宽度的短波导，来精确调控金纳米盘之间的耦合强度，并构建AAH纳米链（图1）。

研究团队随后利用超高时空分辨光发射电子显微镜（PEEM）测量了金纳米盘-波导结构的近场模式分布和等离激元模式的退相干时间（图2）。其中，不同激发波长下等离激元热点分布会发生变化：在760 nm的入射波长下，热点集中在金纳米盘两端；在820 nm的波长下，热点分布在金纳米盘以及连接波导上。这表明通过选择合适的激发波长，可以有效抑制间隙电场的增强，从而实现近场拓扑等离激元模式观测。此外，时间分辨PEEM的测量结果表面金纳米盘-波导结构的退相干时间随着波导宽度的增加而延长。

对于等离激元Harper纳米链，研究团队通过组合连接波导和金纳米盘形成纳米链。其中，无理数τ控制连接波导宽度的准周期性，而整体AAH的一维哈密顿量可以视为一种二维模型的约化，从而实现合成维度调控。进一步，我们利用PEEM对不同ϕ参数的纳米链进行近场成像，展示了不同参数下拓扑边界态的相变过程及对称/非对称模式的转变（图3）。

此外，研究团队将纳米链的连接波导沿y轴移动，打破其镜像对称性，形成交错纳米链，从而诱导左旋和右旋圆偏振光间的耦合，可用于偏振复用。当左旋圆偏光（LCP）入射时，只有偶数编号的金纳米盘被激发。当右旋圆偏光（RCP）入射时，只有奇数编号的纳米盘被激发（图4）。这种偏振依赖的响应使得在不同偏振光下激发不同的纳米盘成为可能，研究团队也进一步将该现象与拓扑边界态结合，实现了偏振复用的拓扑成像功能。

该研究创新性提出了纳米盘-波导构型的新方法来实现片上等离激元拓扑边界态，不仅提供了光学纳米尺度下AAH模型中合成维度调控的研究平台，还促进了光子器件和信息处理芯片的实际应用，为拓扑光子学领域的进一步探索和创新开辟了新的可能性。

北京大学物理学院博雅博士后闫秋辰（北京大学物理学院2023届博士毕业生）、北京大学物理学院2019级本科生赵柏恒是文章的第一作者，胡小永教授、闫秋辰博士、北京理工大学路翠翠教授和香港科技大学陈子亭教授为共同通讯作者。北京大学物理学院2022级博士生吕青鸿、博新计划博士后李耀龙、褚赛赛高级工程师也参与了合作。上述研究成果得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、量子物质科学协同创新中心、中国博士后科学基金、极端光学协同创新中心等支持。