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《自然·通讯》:南京大学研究团队实现高阶光学量子自旋霍尔效应

发布:RuiChaoDong    |    2020-07-30 15:24    阅读:619
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导读

       近日,南京大学固体微结构物理国家重点实验室的陈延峰教授团队和王振林教授团队合作,以二维全介质光子晶体为研究平台,首次理论提出并实验证实了高阶量子自旋霍尔效应,这是该团队在高阶光子拓扑绝缘体方面取得又一重要突破性研究成果。研究人员在高阶拓扑光子绝缘体中引入贋自旋自由度,通过自旋-动量锁定,实现了光子晶体中的零维拐角态的选择性激发。这一工作以“Higher-Order Quantum Spin Hall effect in a Photonic Crystal”为题在线发表在最新一期的Nature Communications上。
       这一工作的主要研究人员分别来自物理学院与现代工学院,南京大学为该项成果第一署名单位。解碧野(现代工学院博士后)、苏光旭(物理学院博士生)和王洪飞(现代工学院博士生)为本工作的共同第一作者,南京大学的詹鹏教授、卢明辉教授、王振林教授和陈延峰教授为该项成果的共同通讯作者,日本关西学院的刘丰博士(现任职于宁波大学),南京大学物理学院的胡露芒同学,现代工学院的余思远副教授亦对本研究有重要的贡献。

研究背景

      对光波进行空间上局域和传输的有效操控是现代光学器件的核心任务之一。然而,光波在传统光学器件中的局域和传输面临着散射损耗和易干扰等特性,因而在很多具体的应用上存在着很大的局限性。近年来,物质的拓扑相是凝聚态物理研究的一个热门领域。作为这一研究热门的生长点,拓扑光子绝缘体,由于其具有对缺陷免疫的光传播的边界态,因而为人们提升相关光学器件的性能提供了全新的光操纵的思路。其中一个简单的例子便是光子晶体中的量子自旋霍尔效应。具体而言,在引入电磁波贋自旋自由度的情况下,我们可以实现波在拓扑光子绝缘体边界处的具有自旋依赖选择性的传播,并且这种传播具有鲁棒性。这种特殊效应启发了许多重要的应用,诸如新型光子自旋器件,光拓扑绝缘体等。然而,在传统的光量子自旋霍尔效应中,自旋极化的光波被限定在比材料低一个维度的边界上传播,这在某种程度上限制了相关器件的多功能和可集成化。
       高阶拓扑绝缘体,作为一种具有更低维度拓扑边界态的新型拓扑材料,最近被人们理论提出并实验验证,其具有深刻的理论意义和广泛的应用前景。一方面,高阶拓扑绝缘体中存在的高度局域的拓扑拐角态,可以实现零维的拓扑光子器件,比如拐角态激光。此前,该南京大学研究团队首次理论提出并实验证实,可以利用全介质光子晶体,在不需要引入负耦合(negative coupling)的基础上,实现二阶拓扑光子绝缘体和零维拐角态。同时,他们还演示了高阶拓扑光子晶体中不同阶拓扑相的维度层级(dimensional hierarchy)现象的存在,即在一种晶格结构中存在多维度(multidimensional)的拓扑界面态,这为实现多功能和可集成化拓扑光子器件提供可能 [Xie et al. Phys. Rev. B 98, 205147 (2018), Xie et al. Phys. Rev. Lett. 122, 233903 (2018), Zhang et al. Nat. Comm. 10, 1 (2019)]。然而,光子(包括声子)是自旋为1的玻色子粒子,因此包括上述研究在内的之前所有有关于高阶拓扑的实验工作,均没有观察到类似于电子的具有1/2赝自旋的高阶拓扑相,以及其具有的自旋相关的特殊效应。

创新研究

       在本研究中,我们首次在高阶拓扑光子晶体中引入1/2贋自旋(pseudospin)自由度。研究人员设计出一种具有六重旋转对称性(C6)的光子晶体。其单个元胞内有六个由氧化铝(Al2O3)陶瓷构成的圆柱(如图-1a)。通过调节圆柱在元胞内的位置,可以实现“扩张晶格”和“收缩晶格”两种构型,其对应的光子能带具有全带隙且具有能带翻转的特征。这种“扩张”和“收缩”的晶格构型分别对应于高阶拓扑相和拓扑平庸相。根据高阶拓扑绝缘体的体边对应关系,将这两种构型的晶格拼接在一起,则界面处存在拓扑保护的一维边界态和零维拐角态(如图-1a)。
       由于系统具有六重旋转对称性,导致折叠后的p和d能带在布里渊区中心处线性组合,从而形成贋自旋为1/2的态,其由元胞内的面内磁场构型刻画(如图-1b)。具有贋自旋1/2的拓扑拐角态通过模式耦合效应,形成自旋极化非零的模式。借助于自旋-动量锁定,这些模式可以被位于边界态中央的手性源选择性激发(如图-1c)。
       具体地,为了观察到一维拓扑边界态和其中的光量子自旋霍尔效应,我们首先考虑将平庸格子和非平庸格子矩形拼接(如图-2a),利用手性源激发,我们可以观察到对于左旋光(右旋光)源,光波被选择性向左(右)传播(如图-2c-d),其在动量空间投影能带中体现为两条斜率相反的隙中态(mid-gap state)(如图-2b)。为了观察到零维拐角态,我们将两种晶格进行一种六角拼接,形成一个六边形封闭的界面,其具有六个拐角(如图-2e)。通过对这种结构的本征模式计算,我们发现在边界态的带隙中存在着六个近似简并的拐角态,其场分布局域在六个拐角处(如图-2e-f)所示。考虑到封闭界面中存在着回音壁模式,为了观察到具有贋自旋的拐角态对手性源激励的响应,我们更进一步地将六边形拼接切割成为半六边形,从而避免了在界面处形成回音壁模式(whisper-gallery modes)。通过计算,在这种结构中同样发现了零维拐角态的存在,而且其自旋极化非零(如图-3)。
       将左旋光和右旋光放置在半六角结构的两个拐角中间界面处时,我们发现,对于左旋光和右旋光激励,光波分别被主要局域在左边拐角和右边拐角处。这种对光波的方向选择性局域是对之前光量子自旋霍尔效应的高阶推广,亦即高阶量子自旋霍尔效应。相关的实验结果和模拟结果吻合的很好。
       值得注意的是,在光子晶体中贋自旋态的定义并不是左旋光和右旋光模式。然而手性光和赝自旋态二者的交叠积分不为零。因此我们可以用左旋光和右旋光来分别选择性激发不同的自旋极化态,当然这会导致在反方向的拐角处仍然具有一些光场分布。
       总之,本研究首次理论提出并实验验证了光的高阶量子自旋霍尔效应。该研究结果为进一步研究高阶光子拓扑绝缘体的自旋极化提供基础。此外,从应用的角度考虑,本研究为将来实现新型自旋拓扑激光、具有自旋的多光子高阶拓扑量子态、手性量子发光点等提供潜在可能。
       该项研究得到了科技部国家重点研发计划,国家自然科学基金委,人工微结构科学与技术协同创新中心、江苏省杰出青年基金、江苏省特聘教授计划等项目的支持。

图文速览


图-1. a.二维高阶拓扑光子绝缘体中存在的二维体态,一维边界态和零维拐角态。这些态在频域上是分开的。b.1/2贋自旋自由度是由元胞内的面内磁场矢量构型刻画的。c. 通过在边界上放置手性源,利用左旋光和右旋光可以实现对不同拐角处光场的局域。

图-2. a.矩形拼接和一维边界及相关的结构参数。b.投影能带中的具有自旋的拓扑边界态。c-d. 通过在边界上放置手性源,利用左旋光和右旋光可以实现对不同方向的电磁波传播。e. 六角拼接结构的本征模式计算。f. 拐角态的本征模式场分布和受激发后的场分布。


图-3. a.半六角拼接和手性源。B半六角拼接的本征模式计算。c. 较低频率拐角态的场分布和贋自旋。d. 较高频率拐角态的场分布和贋自旋。


图-4. a.LCP源激励下A和B点的模拟局域场强。b. RCP源激励下A和B点的模拟局域场强。c LCP源激励下A和B点的实验局域场强。d. RCP源激励下A和B点的模拟局域场强e. LCP源激励下,实验(上)和模拟(下)的场分布。f. RCP源激励下,实验(上)和模拟(下)的场分布。

消息来源:两江科技评论

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