在本项工作中 ， 利用三维磁性光子晶体的特性 ， 研究者可以直接通过三维电磁近场扫描获得拓扑表面态的等频面（类似于电子体系中费米面） 。 实验结果如图2所示 。 不加磁场时 ， 带隙中没有表面态 ， 对应拓扑平庸态 。 当磁场强度为0.2 T时 ， 可以观测到单条费米弧表面态 。 这是单条费米弧首次被实验发现 。 增大磁场到0.35 T ， 两个外尔点往布里渊区边界方向移动 。 继续增加磁场 ， 这一对具有相反拓扑荷的外尔点相互湮灭 ， 从而将三维磁性光子晶体从拓扑半金属相变成拓扑绝缘体 ， 诞生了一个全新的拓扑态——三维陈绝缘体 。 不同于外尔半金属的费米弧（Fermi arc）表面态 ， 三维陈绝缘体的表面态拥有贯穿整个表面布里渊区的费米环（Fermi loop）表面态 。 这种费米环表面态同样具有手性特征 ， 能沿着某个方向上始终保持单向鲁棒传输 。
图2：不同磁场强度下仿真和实验获得的拓扑手性表面态
该工作标志着陈绝缘体正式进入三维时代 。 从基础物理层面讲 ， 这一寻找多年的拓扑态终于被实验发现 ， 极大地扩充了拓扑家族的成员 。 此外 ， 数学体系中的纽结与链环概念首次在物理体系中被实验观测到 ， 极大地加强了数学拓扑与物理拓扑之间的内在联系 。 从实际应用层面讲 ， 三维陈绝缘体的手性拓扑表面态具有受拓扑保护的单向、鲁棒传输特性 ， 可对任何缺陷、杂质、无序、尖锐拐角等障碍免疫而具有绝对鲁棒性 。 未来无论是大容量、高效率、低损耗电磁信息传输还是拓扑计算 ， 三维陈绝缘体都将是一个不可或缺的重要成员 。 得益于光学体系的优异特性 ， 这项工作不仅实验验证了一系列过去的理论预言 ， 而且发现了一些过去理论层面尚未触及到的新奇物理现象 。
中国科大实现百公里自由空间高精度时间频率传递近日 ， 中国科学技术大学潘建伟及其同事张强、姜海峰、彭承志等与上海技物所、新疆天文台、中科院国家授时中心、济南量子技术研究院和宁波大学等单位合作 ， 通过发展大功率低噪声光梳、高灵敏度高精度线性采样、高稳定高效率光传输等技术 ， 首次在国际上实现百公里级的自由空间高精度时间频率传递实验 ， 时间传递稳定度达到飞秒量级 ， 频率传递万秒稳定度优于4E-19 。 实验结果有效验证了星地链路高精度光频标比对的可行性 ， 向建立广域光频标网络迈出重要一步 。 该成果于2022年10月5日在线发表于国际著名学术期刊《自然》杂志 。
近年来 ， 基于超冷原子光晶格的光波段原子钟（光钟）的稳定度已进入E-19量级 ， 将形成新一代的时间频率标准（光频标） ， 结合广域、高精度的时间频率传递可以构建广域时频网络 ， 将在精密导航定位、全球授时、广域量子通信、物理学基本原理检验等领域发挥重要作用 。 例如 ， 当全球尺度时频传递的稳定度达到E-18量级时 ， 就可形成新一代的“秒”定义 ， 2026年国际计量大会将讨论这种“秒”的重新定义 。 进一步 ， 高轨空间具有更低的引力场噪声环境 ， 光频标和时频传递的稳定度理论上能够进入E-21量级 ， 有望在引力波探测、暗物质搜寻等物理学基本问题的研究方面产生重大应用 。 然而 ， 传统的基于微波的卫星时频传递稳定度仅有E-16量级 ， 不能满足高精度时频网络的需求 。 基于光频梳和相干探测的自由空间时频传递技术 ， 稳定度可以达到E-19量级 ， 是高精度时频传递的发展趋势 ， 但此前国际上的相关工作信噪比低、传输距离近 ， 难以满足星地链路高精度时频传递的需求 。
图：百公里高精度时频传递实验示意图
在该工作中 ， 研究团队发展了全保偏光纤飞秒激光技术 ， 实现了瓦级功率输出的高稳定光频梳；基于低噪声平衡探测和集成干涉光纤光路模块 ， 结合高精度相位提取后处理算法 ， 实现了纳瓦量级的高灵敏度线性光学采样探测 ， 单次时间测量精度优于100飞秒；进一步提升了光传输望远镜的稳定性和接收效率 。 在上述技术突破的基础上 ， 研究团队在新疆乌鲁木齐成功实现了113公里自由空间时频传递 ， 时间传递万秒稳定度达到飞秒量级 ， 频率传递万秒稳定度优于4E-19 ， 系统相对偏差为6.3E-20±3.4E-19 ， 系统可容忍最大链路损耗高达89dB ， 远高于中高轨星地链路损耗的典型预期值（约78dB） ， 充分验证了星地链路高精度光频标比对的可行性 。
审稿人高度评价该工作：“该工作是星地自由空间远距离光学时间频率传递领域的一项重大突破 ， 将对暗物质探测、物理学基本常数检验、相对论检验等基础物理学研究产生重要影响（The manuscript describes a major breakthrough into the realization of free-space satellite-based long range optical time and frequency dissemination with impacts for fundamental physics (search for dark matter test of fundamental constant test of relativity…) 。 ”
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