在光學拓撲超晶格結構實現拓撲荷大小為2的三維狄拉克點
2020-08-04 知社學術圈
近年來對拓撲能帶的研究將傳統的二重和三重簡併點推廣到高階簡併點，從而產生了許多新奇的現象。其中被稱為charge-2狄拉克點(CDPs)的四重能帶簡併點近來在某些凝聚態物質系統中被發現。由於傳統的三維狄拉克點是由一對手性相反的外爾點重疊而成，其淨拓撲荷數為零，因而不能引起拓撲保護的表面態。然而，與傳統的三維狄拉克點不同，CDPs具有非零淨拓撲電荷的特徵（拓撲荷數為±2 ），可以導致全新的拓撲表面態。
如果能利用光學系統實現光頻CDPs，必然能拓展得到全新的應用。但在可見光頻域實現三維拓撲簡併點並不容易，往往需要複雜的結構設計，或者繁複的實驗測量。因此，如何找到簡單可行的方法，構造並觀測到光頻CDPs, 依舊是個難題。
近日，南京大學劉輝教授與祝世寧院士團隊與帝國理工大學的丁鯤博士後合作，在Communications Physics上發表題為「Realization of photonic charge-2 Dirac point by engineering super-modes in topological superlattices」的研究論文(Commun Phys 3, 130 (2020))。論文報導了在一維光學拓撲超晶格結構中利用人工合成維度，首次成功構造了可見光頻域的CDPs，並實現了對其所引起的拓撲表面態的靈活調控。
在本工作中，作者先通過特殊設計，交替堆疊兩種拓撲性質不同的一維光子晶體而得到了超晶格結構。因而，在每個光子晶體界面處都存在拓撲局域態，它們作為「人工光子軌道」，彼此雜化耦合形成集體模式，得到全新的人工拓撲能帶。在這個系統中，每個軌道的在位能可以通過調整界面層介質厚度輕易調節，相鄰兩個光子軌道的耦合係數（包括強度和符號）可以由改變光子晶體的周期數靈活調控。因此，作者合理地引入與在位能和耦合係數相關的兩個人工維度，在一維超晶格實現了高度可調的三維拓撲能帶，大大降低了實驗難度並帶來新的效應。
圖1：(a) 一維光學拓撲超晶格結構；（b）樣品局部結構電鏡圖；（c）水平波矢為零時，人工空間中的Charge-2狄拉克點；（d）水平波矢不為零時，人工空間中對應於不同偏振的衍生外爾點。
進一步考慮光子的偏振特性，每個光子軌道都存在TE和TM兩種模式，所以還具備贗自旋自由度。於是，不同自旋的拓撲能帶可以由不同偏振的入射光來激發,並通過透射譜直接進行觀測。當入射角為零度時，水平波矢為零，TE和TM模式簡併，它們各自對應相同拓撲荷的外爾點，在人工空間重疊而構成了CDP；當入射角度逐漸增大，水平波矢不再為零，TE和TM模式簡併解除導致對應外爾點在人工空間相互分離。這種簡併解除類似電子系統中的塞曼效應，其中水平波矢充當了有效磁場，而通過對不同偏振入射角的控制實現了對衍生外爾點的任意調控。
圖2：(a) 分離的衍生外爾點及表面態對應平面;（b-c）三十度角斜入射所激發的TM和TE模式反射譜。
另一方面，CDPs拓撲荷不為零的特性保證了超晶格截斷面拓撲表面態的存在。每個偏振下的拓撲表面態，都可以分成兩組，對應於人工空間的兩個相交平面。在本工作中，作者利用不同入射方向的兩種偏振光，激發並通過反射譜觀測到了位於不同平面的拓撲表面態。由於該超晶格系統中的拓撲表面態依賴於偏振模式、入射角大小以及入射方向，進而可以用來實現局域場增強，非常有利於實際應用。
本工作的結果表明一維光學拓撲超晶格系統可作為實現各種拓撲效應的良好平臺，它不僅可以實現CDPs，也已被證明能實現SSH、RM等等拓撲相。接下來，如果利用損耗材料或者非線性折射率材料來構造超晶格系統，可以進一步去探索非厄米或非線性等拓撲現象。
南京大學博士生胡夢瑩、帝國理工博士後丁鯤為論文的共同第一作者，南京大學教授劉輝為論文的通訊作者。研究團隊感謝國家自然科學基金項目(No. 11690033, No. 61425018, No. 11621091, and No. 11374151)。
論文連結：
https://www.nature.com/articles/s42005-020-00395-1
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