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光学工程
拓扑又见拓扑——稳定Weyl点的光学实现

Weyl半金属是不同于拓扑绝缘体的一类新型拓扑电子态,因其特殊的能带结构成为了当前凝聚态物理的研究热点。

Weyl半金属具有一些能带奇点,即能带的交叉点。这些奇点附近的电子低能运动可以用Weyl 方程描述,故被称为Weyl nodes。与二维空间的Dirac点(例如石墨烯中的情形)完全不同,在三维动量空间中无法引入质量项,即无法通过微扰打开能隙,因此这样的能带交叉点是一种非常稳定的拓扑结构。

由于稳定拓扑结构的存在,拓扑半金属会展现出许多奇妙的物性,例如,其表面态所具有的稳定费米弧结构,体态所具有的动量空间中的磁单极,以及独特的输运性质和磁性等。进一步的理论研究发现,特定的晶体中还存在新型的Weyl nodes,如多重(高阶的)Weyl nodes以及第二类Weyl nodes。然而要找出能实现 Weyl 半金属的具体晶体材料就不是那么容易了。

图1 光子晶体设计:(a)结构示意图;(b)能带结构中的Weyl nodes.

由于人工合成的周期性材料(如光子晶体、声子晶体)可具有类似于电子的能带结构,近年来研究者开始在经典波(如电磁波、声波)体系中探索拓扑态及其相关现象。这些自然界中不存在的人工材料具有更多的设计自由度,不仅为科学家提供了另一个更方便研究拓扑相的平台,也有助于拓扑态的概念应用到新型的光学器件中。

最近,香港科技大学陈子亭教授课题组设计并制备了具有多重Weyl nodes和第二类Weyl nodes的光子晶体,并研究了该晶体的拓扑特性。研究表明该体系中的旋转对称轴上存在一系列由对称性保护的多重Weyl nodes,晶体的表面也存在受拓扑保护的手性界面态。他们在微波波段首次验证了Weyl体系中表面态的稳定传输特性。相关成果发表在Nature Communications [7, 13038 (2016)]上。


图2 验证表面态的稳定传输特性:(a)(b)在样品表面引入的两种不同类型缺陷;(c)(d)存在两种缺陷情形测量得到的表面透射率.

此前,该课题组还提出了以降维的方式在时间反演不变的声学体系中实现等效规范场和Weyl nodes的想法(Nat. Phys. 11, 920-924 (2015))。在此基础上,他们进一步把该想法推广到电磁波体系,在微波波段实现了具有多重Weyl nodes和第二类Weyl nodes的光子晶体。他们最近的研究还发现结构更为简单的手性木堆积结构同样存在Weyl nodes,有望在目前的制备工艺条件下实现光波段Weyl nodes的实验验证(http://arxiv.org/abs/1607.02918 (2016))。


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