《Light-Science & Applications》：A century of innovative spirit and an optical scientist’s pursuit
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本文为对西湖大学工学院助理教授、独立PI刘桂耿(Gui?Geng Liu)的学术访谈（A Century of Innovative Spirit and an Optical Scientist's Pursuit）。研究人员回顾了其科研历程：童年观察蚂蚁与
本文为对西湖大学工学院助理教授、独立PI刘桂耿(Gui?Geng Liu)的学术访谈（A Century of Innovative Spirit and an Optical Scientist's Pursuit）。研究人员回顾了其科研历程：童年观察蚂蚁与阅读?《简明科学技术史》萌发科学好奇心；南开大学"泊龄班(Po?ling Class)"本科科研训练完成从"学生"到"准研究者"的身份转变，并在Tu Chenghou与Wang Huitian指导下早期进入实验室参与前沿课题；新加坡南洋理工大学(NTU)在Baile Zhang与Yidong Chong指导下攻读博士期间主攻磁光光子晶体(magnetic photonic crystals)中的拓扑光子学(topological photonics)，实现首个三维Chern绝缘体(three?dimensional Chern insulator)并发现其Chern矢量(Chern vector)导致的动量空间纽结(knot)与链环(link)结构，提出三维光子晶体中的拓扑Chern矢量(topological Chern vectors)，相关工作发表于Nature 609, 925 (2022)；后续将非厄米趋肤效应(non?Hermitian skin effect)引入Chern绝缘体，发现手征边缘态(chiral edge states)可被局域化并构建混合拓扑不变量(hybrid topological invariant)，工作发表于Phys. Rev. Lett. 132, 113802 (2024)；通过与理论合作者深入交流，确认反铁磁光子晶体具量子化轴子场(quantized axion field)与半整数表面Chern数，实现光子轴子绝缘体(photonic axion insulator)，工作发表于Science 387, 162 (2025)。研究人员阐述选择西湖大学(Westlake University)的原因——精简行政体系与跨学科协作氛围(Academic Ring)，以及作为PI指导团队强调内在驱动力、独立思考、协作精神与耐心的培养理念。研究人员指出持续创新来源于持续学习、深度思考与开放讨论，未来5–10年计划从基础拓扑光子学与增益/损耗调控(non?Hermitian optics)延伸至实用光子芯片(photonic chips)开发，应用于光通信与光计算，并期望将成果发表于Light: Science & Applications。
论文解读——百年创新精神与一位光学科学家的求索
研究背景
拓扑光子学(topological photonics)自2008年引入光子体系以来，主要关注二维拓扑绝缘体与量子霍尔类比体系，三维拓扑带论中三维Chern绝缘体(three?dimensional Chern insulator, 即具有非零Chern矢量的三维拓扑能带体系)及外尔半金属(Weyl semimetal)在电磁体系中的实验实现一度滞后。同时，非厄米拓扑(non?Hermitian topology)中由增益/损耗导致的非厄米趋肤效应(non?Hermitian skin effect, NHSE)对传统体?边界对应(bulk?boundary correspondence, BBC)的挑战亦为新兴课题。此外，凝聚态物理中的轴子绝缘体(axion insulator)概念尚未在光子体系中得到实验验证。开展上述研究有助于深化对光?物质相互作用中拓扑不变量、非厄米调控及高阶拓扑态的理解，并为鲁棒光传输与新机理光子器件奠定物理基础。
关键技术方法
研究人员采用磁光子晶体(magnetic photonic crystals, MPCs)——由旋磁铁氧体(gyrotropic yttrium iron garnet, YIG)与介质单元构成——通过时反对称破缺(time?reversal symmetry breaking)实现非平庸拓扑能带。主要技术方法包括：层叠二维光子Chern绝缘体构建三维磁光子晶体并进行数值本征模仿真(eigenmode simulation)；设计异质界面(heterojunction)探究不同Chern矢量的三维Chern绝缘体间界面态并于动量空间分析纽结(knot)与链环(link)拓扑结构；在复能谱中引入点隙(point?gap)结构与点隙卷绕数(point?gap winding number)描述NHSE，并将Chern数与点隙卷绕数结合构造混合拓扑不变量(hybrid topological invariant)；构建反铁磁排列(ferromagnetically coupled layers with alternating magnetization)光子晶体，联合理论合作者推导轴子项θ＝π(mod 2π)及半整数表面Chern数?，通过微波近场扫描(near?field scanning)测量表面态色散验证轴子绝缘体相。
研究结果
1. Are there any memorable childhood stories that sparked your early curiosity about science, and how did these experiences subtly shape your path to becoming a scientist?
研究人员幼时于乡村观察蚂蚁分工协作，体悟毅力与团队精神；小学阅读?《简明科学技术史》(A Concise History of Science and Technology)认识到科研是人类跨时空接力，萌生探索世界基本规律的志趣，后升入中学学习物理并将兴趣固化为终身追求。
2. Your academic journey—from leading a team to win the Top Prize…what constructive features of China's undergraduate education…shaped your approach to scientific research?
研究人员考入南开大学物理系泊龄班(Po?ling Class)，小班教学鼓励质疑与批判性思维，课程融合实验与小课题训练掌握科研全流程。大一加入Tu Chenghou与Wang Huitian课题组参与真实前沿课题，经历成功与失败，早期建立科研韧性与问题解决能力，认为本科生参与科研训练有助于知识应用与自我判断适配度。
3. What initially sparked your interest in the field of topological photonics, and how has this passion evolved throughout your academic career?
本科研究结构化光场(structured light fields)后转向具全局鲁棒性的拓扑光子学。博士期间主攻磁光子晶体中时间反演对称破缺诱导的非平庸拓扑性质，从二维扩展至三维Chern绝缘体，此方向至今为其实验室核心研究之一。
4. Looking back at your research on the first three?dimensional Chern insulator, what was the biggest challenge you encountered, and how did you overcome it?
初始层叠二维Chern绝缘体未获新物理，后经Baile Zhang建议研究两不同Chern矢量三维Chern绝缘体间界面态，发现拓扑保护的表面态在动量空间形成环面纽结(torus knots)与环面链环(torus links)，对应数学纽结论结构，源于三维独有的Chern矢量特性。该工作证实三维Chern绝缘体中拓扑Chern矢量(topological Chern vectors)，发表于Nature 609, 925 (2022)。
5. In your 2024 paper published in Physical Review Letters, you reported the localization of chiral edge states by the non?Hermitian skin effect…
研究人员将NHSE引入Chern绝缘体磁光子晶体，通过空间依赖损耗(loss profile)设计使本被认为不受局域影响的手征边缘态(chiral edge states)被可控局域于特定边界甚至样品角(corners)。当两方向点隙卷绕数均非零时边缘态进一步局域于二维样品角，提出结合Chern数与点隙卷绕数的混合拓扑不变量以统一描述厄米与非厄米体系的边界态，拓展了传统体?边界对应至非厄米范畴，为拓扑激光器与鲁棒光捕获提供物理基础。发表于Phys. Rev. Lett. 132, 113802 (2024)。
6. What motivated you to join Westlake University in 2024 rather than other academic institutions…?
研究人员选择西湖大学因其精简行政体系使科研人员可专注科学探索，且Academic Ring促进跨学科即时讨论与协作，适合独立PI启动课题组并开展交叉合作。
7. As a principal investigator (PI) at Westlake University, how do you balance guiding your research team and pursuing your own independent research projects?
研究团队与独立研究视为有机整体，研究想法开放分享并邀请感兴趣成员加入，强调学生需对课题具真正热情。指导学生自主选题，传授文献阅读、科学问题提炼、方案设计与可行性评估之完整方法，培养学生独立思考与探索能力。
8. Your work on photonic axion insulators has achieved significant breakthroughs. Could you share the most exciting moment during this research process?
初始拟在反铁磁光子晶体中寻找一维手征铰链态(chiral hinge states)，经与理论合作者长期公式推导与反复计算，确认体系具量子化轴子场(quantized axion field, θ＝π mod 2π)与半整数表面Chern数，证实所构光子晶体为真轴子绝缘体(photonic axion insulator)，此前分散的实验发现获统一理论解释。工作发表于Science 387, 162 (2025)。
9. You have been engaged in scientific research for over a decade. How do you sustain innovation and creativity in your research?
持续创新来自三方面：广泛深入学习包括跨领域文献并反复咀嚼核心思想；对根本问题长期沉浸思考使碎片线索整合为清晰物理图像；开放讨论——与组员及不同学科学者交流以获取多元视角启发。
10. What are the most important factors you consider when recruiting members…how have they shaped the way you mentor students at Westlake University?
招募首重内在科研志趣与长期坚持潜力，看重强内在动机(intrinsic motivation)、独立思考与敢于质疑(independent thinking and courage to question)、协作精神(collaborative spirit)及耐性。南开大学早期科研训练使之早识科研真貌，NTU精简高效环境使之明了去干扰之重要，故在西湖南开模式基础上给予学生早接触真实课题空间与专注环境。
11. Looking ahead to the next 5?10 years, what are your main research goals…Do you plan to publish your findings in Light: Science & Applications…?
未来5–10年课题组将从拓扑光子学与增益/损耗(non?Hermitian optics)基础研究拓展至功能性光子芯片(photonic chips)开发，利用拓扑保护鲁棒性与非厄米调控实现光信号操控并应用于光通信与光计算。研究人员期待将代表性成果投至Light: Science & Applications。
12. Beyond academic research, what hobbies or activities do you usually engage in to relax…?
研究人员视科研本身为好奇心驱动之愉悦探索，闲暇最大慰藉为陪伴家人尤其是与儿子玩耍，儿童对世界的新鲜目光使其重获宁静与初心。
讨论与结论总结
本访谈系统梳理了光学科学家刘桂耿(Gui?Geng Liu)从童年科学启蒙、南开大学本科科研训练、南洋理工大学博士阶段于磁光子晶体拓扑光子学的深耕——包括三维Chern绝缘体中拓扑Chern矢量(Nature 2022)、非厄米趋肤效应对手征边缘态局域化(Phys. Rev. Lett. 2024)及光子轴子绝缘体(Science 2025)——至入职西湖大学独立建组之理念与实践。研究表明：(1) 本科阶段实质参与前沿课题是科研人才早期养成的关键；(2) 三维Chern绝缘体具独特Chern矢量属性，其异质界面态动量空间拓扑对应数学纽结与链环结构；(3) 非厄米趋肤效应可与厄米拓扑共存并修饰边界态，混合拓扑不变量可推广体?边界对应；(4) 反铁磁光子晶体可实现量子化轴子场与半整数表面Chern数，确证光子轴子绝缘体相；(5) 青年学者持续创新需知识积累、深度思辨与开放协作并重，而良好科研生态应助研究者早识科研全貌并无干扰专注探索。上述基础发现丰富了拓扑光子学与非厄米物理的内涵，为鲁棒光子器件与片上集成光子芯片提供了理论与实验依据。
