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教育部二維材料光電科技國際合作聯合實驗室范滇元院士團隊、項元江副教授課題組在《Science》發表高水平學術論文

發表于 2019-01-11 10:47


      實驗室項元江課題組、英國伯明翰大學張霜教授課題組和賓夕法尼亞州立大學劉超星教授課題組合作,通過非均勻的調制理想外爾超材料中元胞內部結構的幾何參數,首次在光學系統中觀測到手性零級朗道能級。相關成果以題為“Observation of chiral zero mode in inhomogeneous three-dimensional Weyl metamaterials”發表在國際頂尖期刊Science上。深圳大學博士后賈宏偉為論文第一作者,項元江副教授為論文的共同通訊作者,英國伯明翰大學、深圳大學為論文第一作者單位。

1. 非均勻外爾超材料的結構以及色散關系

      在高能物理中,狄拉克或外爾無質量相對論粒子具有手性對稱性,也就保證了其手性電流為守恒量。但是外界微擾的引入會破壞其手性對稱性并導致手性電流不守恒,也就是手性異常。其中,外加磁場產生的零級手性朗道能級便是導致手性異常的最重要的方法。狄拉克和外爾準粒子在電子和光學系統中的發現為在這些系統中觀測手性朗道能級提供了條件。然而,目前為止光學系統中手性朗道能級還沒有得到觀測,其是否存在還沒有經過實驗證明。外爾簡并點是一種二重的線性簡并,由于空間維度與Pauli矩陣維度相同,該簡并點非常穩定,只能在k空間中正負拓撲數相反的兩個簡并點湮滅才能使其消失。同時,由于目前發現的外爾簡并均為偶然簡并,可以在k空間中通過調節其位置,這也就為我們制作人工的規范場提供了很好的機會。以往的設計人工磁場的方法都是通過外加應力實現體系內部發生非周期改變,根據緊束縛近似理論,這種應力張量可以表示為矢量勢,也就產生了人工磁場。這種方法廣泛的應用于二位體系,但是在三維體系中,由于體系的伸縮性不明顯,所以科學家只能理論上研究薄膜或者細線的幾何體中。因此,目前為止,人工磁場只在二維體系中實驗上實現,三維外爾體系中的人工磁場會產生非常有趣的物理現象,比如準粒子的手性傳輸。

2 非均勻外爾系統的手性朗道能級  

       近期,英國伯明翰大學張霜教授課題組,深圳大學項元江副教授課題組與賓夕法尼亞州立大學劉超星教授課題組合作,首次通過調節外爾超材料中每個元胞內部結構,將整個外爾超材料做成非均勻體系,實現了三維光學外爾體系的人工磁場。他們拋棄了以往的通過緊束縛近似理論設計人工磁場的方法,從等效介質理論出發,對外爾超材料元胞內部結構(如圖1A)進行非周期的調節(如圖1B),實現了體系結構中外爾點(如圖1C)在k空間的位置隨實空間坐標的絕熱演變(如圖1D),從而產生了等效的人工規范場,也就是人工磁場。該人工磁場產生能夠產生手性朗道能級(如圖2AB所示),對于不同的外爾點群速度的方向不同(如圖2C所示),也就是相反方向傳輸的體態在k空間分離。因此在兩個1級朗道能級能帶區間,底面激發只能探測到向上傳輸的零級朗道能級(如圖2DE1-E7),相反,頂面激發只能探測到向下傳輸的零級朗道能級(如圖2FG1-G7)。這是光學系統中手性朗道能級的首次觀測。

       這是項元江課題組和張霜教授課題組繼2018年初在《Science》發表關于理想外爾光學系統、Nature Communications》發表關于拓撲超材料中光子費米弧的直接觀測、2017年在《Physical Review Letters》發表關于超材料三維光子狄拉克點等研究工作后,又一篇關于拓撲物理方面的重要成果。該成果在拓撲物理學具有非常重要的參考價值。同時由于該系統無需外部磁場的引入便可以實現單向傳輸的體態,這對于未來實現光學信息的穩定傳輸(如光纖傳輸)并克服背向散射帶來的能量損失具有重要的作用。

       該工作得到了國家自然科學基金基金的資助。原文鏈接:http://science.sciencemag.org/content/363/6423/148.full

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