引言  突破性成果概览

钻石在人们眼中往往象征着永恒与珍贵，但在科学家看来，它更像是一座蕴藏着科学潜能的实验宝库。钻石晶格中有一种特殊的点缺陷——氮空位色心（NV 色心，Nitrogen-Vacancy center）。当一个氮原子取代晶格中的碳原子，并且在其相邻位置缺失一个碳原子时，就会形成这种结构。NV 色心之所以备受关注，是因为它兼具独特的光学和自旋性质。例如，它的电子可以形成自旋三重态，并且即使在室温下，也能通过一束波长为 532 纳米的激光实现自旋极化，从而让系统进入特定的广东会状态。更重要的是，NV 色心的自旋相干性通常能够保持很长时间，不容易被环境噪声轻易破坏。

正因为如此，NV 色心在前沿研究中展现出了广泛应用潜力。科学家们利用它来进行纳米尺度的磁场与温度测量，也尝试将其作为广东会比特应用于广东会信息处理。这种微小的晶格缺陷，为广东会技术提供了坚实而灵活的实验平台，其和工程光子结构之间的相互作用已成为在广东会水平上控制光-物质耦合的基石。虽然在将NV 色心与介电腔谐振耦合方面取得了很多进展，但是对它们与拓扑光子结构的相互作用的关注相对较少。近期，来自纽约市立大学的研究团队在《自然 纳米科技》（Nature Nanotechnology）发表了一项题为《Emission of nitrogen–vacancy centres in diamond shaped by topological photonic waveguide modes》的突破性研究：科学家首次利用金刚石中NV 色心作为纳米级探针，成功实现了拓扑光子波导中光的定向操控。该工作不仅揭示了拓扑光子结构与广东会发射器相互作用的深层机制，更开辟了广东会光学芯片集成的新路径。

第一章 实验设计：扫描探针与拓扑波导

研究团队设计并制造了基于硅材料的拓扑光子晶体。在硅绝缘体衬底上，他们利用电子束曝光与等离子体刻蚀，构造了由“收缩”和“扩展”六角格子组成的光子晶体区域。两者在拓扑性质上分别是平庸与非平庸相，界面处自然形成支持拓扑边缘态的波导。该波导在约 700 纳米波长处展现带隙内的双向传播模式，且具有抗散射的鲁棒特性。 为了实现精确控制，研究者将含 NV 色心的纳米钻石颗粒附着在原子力显微镜探针尖端。这样，NV 色心既可以作为亚波长的局域光源，也可以充当近场探针，在扫描过程中探测拓扑波导的局部光场分布。激发采用 532 纳米激光，发射则通过共聚焦显微系统收集，包括来自纳米钻石本身的直接光致发光（PL）以及经过波导传播后的散射信号。

 图1  拓扑光子波导的扫描色心显微镜

第二章   光谱响应：发射谱的重塑

当 NV 色心靠近拓扑波导时，其发射光谱发生明显变化。研究表明，660 纳米附近的发射强度被部分抑制，同时能量被重定向到更长波长。这种现象并非简单的 Purcell 增强，而是源于声子辅助耦合机制：由于 NV 色心存在快速纯退相干过程，部分发射会通过振动模式与窄带光学模式耦合，从而将腔内 NV 色心的发射频率转移到更窄、远失谐模式的发射频率。重要的是，总发射功率几乎保持不变，这意味着光子能量在不同波长间被重新分配，而不是整体增强。借助第一性原理计算与退相干模型，研究者成功重现实验观测结果，从而验证了这一解释。

 图2   NV色心作为宽带光源

第三章 色心作为局域光源：方向性传播

NV 色心不仅能揭示波导对光谱的调制，还能作为局域光源，用于探索拓扑波导的传输特性。当研究团队将纳米钻石置于界面上方时，观察到沿波导方向的强烈散射信号，且传播带宽约为 50 纳米。更为有趣的是，光子传播展现出强烈的方向选择性。光的前进或后退方向取决于 NV 注入点的位置，只需在对称点附近移动数十纳米，就能实现传播方向的反转。这种高度灵敏的空间依赖性表明，NV 色心能够与波导边缘态产生选择性耦合，形成独特的高度单向传输效果。

图3   散射PL和发射PL之间的关联椭偏率

第四章偏振特性：椭圆化与手性耦合

拓扑波导的边缘模具有手性，其传播方向与光的椭偏率相关。研究团队通过偏振选择性探测发现，NV 发射在不同位置会表现出明显的右旋或左旋圆偏振成分，且亮度差异高达 50%。不仅如此，这种椭偏特征同时出现在NV 本身的发光与经过波导传播后的散射光中，二者保持一致性。 通过在界面上扫描纳米钻石，研究者获得了交替分布的偏振图样。进一步分析显示，这些偏振条纹与光传播方向高度对应，反映了 NV 色心与局域电磁模的手性选择性耦合。这一结果不仅拓展了对拓扑光场的可视化手段，也为利用色心操控和探测手性光模式提供了新思路。

图4   光子晶体的偏振敏感成像

终章  研究意义与展望

这项工作揭示了一种独特的光-物质耦合机制：NV 色心在拓扑光子波导环境中，其发射不仅在光谱上被重塑，还在空间方向性与偏振属性上得到显著调控。这一发现对广东会光子学的发展具有重要意义：

在器件层面，这种耦合机制有望用于片上单光子源的集成，实现方向可控和偏振可控的光子发射。

在应用层面，研究结果为生成拓扑保护的光子态、构建可扩展的广东会光学网络提供了可能。

在方法层面，利用扫描色心作为局域探针，丰富了近场光学成像和广东会传感的手段。

未来研究还需回答若干问题。例如，单个 NV 与波导的相互作用是否与小型色心团簇存在差异？发射的纯度和相干性能否进一步提升？类似机制能否推广到其他色心体系，如 SiV 或二维材料中的发射体？这些问题的答案将为拓扑光子学与广东会器件的深度融合指明方向。

参考文献：Kumar, R., Chandan, López Morales, G.I. et al. Emission of nitrogen–vacancy centres in diamond shaped by topological photonic waveguide modes. Nat. Nanotechnol. (2025). https://doi.org/10.1038/s41565-025-02001-3

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41565-025-02001-3

撰稿｜王思涵

指导｜刘玉龙