產品 求購 供應 文章 問題

0431-81702023
光學工程
拓撲又見拓撲——穩定Weyl點的光學實現

Weyl半金屬是不同于拓撲絕緣體的一類新型拓撲電子態,因其特殊的能帶結構成為了當前凝聚態物理的研究熱點。

Weyl半金屬具有一些能帶奇點,即能帶的交叉點。這些奇點附近的電子低能運動可以用Weyl 方程描述,故被稱為Weyl nodes。與二維空間的Dirac點(例如石墨烯中的情形)完全不同,在三維動量空間中無法引入質量項,即無法通過微擾打開能隙,因此這樣的能帶交叉點是一種非常穩定的拓撲結構。

由于穩定拓撲結構的存在,拓撲半金屬會展現出許多奇妙的物性,例如,其表面態所具有的穩定費米弧結構,體態所具有的動量空間中的磁單極,以及獨特的輸運性質和磁性等。進一步的理論研究發現,特定的晶體中還存在新型的Weyl nodes,如多重(高階的)Weyl nodes以及第二類Weyl nodes。然而要找出能實現 Weyl 半金屬的具體晶體材料就不是那么容易了。

圖1 光子晶體設計:(a)結構示意圖;(b)能帶結構中的Weyl nodes.

由于人工合成的周期性材料(如光子晶體、聲子晶體)可具有類似于電子的能帶結構,近年來研究者開始在經典波(如電磁波、聲波)體系中探索拓撲態及其相關現象。這些自然界中不存在的人工材料具有更多的設計自由度,不僅為科學家提供了另一個更方便研究拓撲相的平臺,也有助于拓撲態的概念應用到新型的光學器件中。

最近,香港科技大學陳子亭教授課題組設計并制備了具有多重Weyl nodes和第二類Weyl nodes的光子晶體,并研究了該晶體的拓撲特性。研究表明該體系中的旋轉對稱軸上存在一系列由對稱性保護的多重Weyl nodes,晶體的表面也存在受拓撲保護的手性界面態。他們在微波波段首次驗證了Weyl體系中表面態的穩定傳輸特性。相關成果發表在Nature Communications [7, 13038 (2016)]上。


圖2 驗證表面態的穩定傳輸特性:(a)(b)在樣品表面引入的兩種不同類型缺陷;(c)(d)存在兩種缺陷情形測量得到的表面透射率.

此前,該課題組還提出了以降維的方式在時間反演不變的聲學體系中實現等效規范場和Weyl nodes的想法(Nat. Phys. 11, 920-924 (2015))。在此基礎上,他們進一步把該想法推廣到電磁波體系,在微波波段實現了具有多重Weyl nodes和第二類Weyl nodes的光子晶體。他們最近的研究還發現結構更為簡單的手性木堆積結構同樣存在Weyl nodes,有望在目前的制備工藝條件下實現光波段Weyl nodes的實驗驗證(http://arxiv.org/abs/1607.02918 (2016))。


版權信息:長春市金龍光電科技有限責任公司 | 聯系電話:0431-81702023 | 網站備案號:吉ICP備07002350號-1 | EMAIL:[email protected]
35选7中奖号码