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Laser & Photonics Reviews:近红外波段I-型外尔费米点的自旋角动量、圆二色性的实验研究

    1929年,数学家赫尔曼.外尔提出了一种简约的狄拉克方程的解,预言了一类有手性的无质量的基本粒子,称为外尔费米子。外尔费米子被认为是二维石墨烯的三维类比。其特征指标是外尔费米点,是一种存在于两个线性色散能带交汇处,被拓扑保护的三维空间点的简并态。外尔费米点的一个重要特性是它具有很强的稳定性。外尔费米点对外界扰动的稳定性起源于它的拓扑单极子属性,也就是它仅具有正、负两种拓扑荷,而且两种拓扑荷只能成对产生或者湮灭。由于外尔费米点的这种拓扑特性,外尔系统不会受到扰动比如,加工缺陷的影响。因此,外尔费米点为发展下一代稳定、高效的光电器件提供了全新的物理特性。

从1929年至今的将近86年时间里,物理学家长期致力于寻求无质量的外尔费米子存在的实验证据。最初,中微子被认为是一种无质量的外尔费米子,但直至它被发现,中微子才被证明是一种具有质量的粒子,并非外尔费米子。一直到2015年,外尔费米子的谜团才首次被解开。不同于中微子可以在宇宙中自由的穿梭的特性,外尔费米子被证明是存在于晶体中的准粒子。准粒子并非传统意义上的粒子,他们具有波动性。这种波动又不是物理的机械波(比如,水波),而是基于大量分子集体运动而产生的激发波。

    光子晶体中也存在着外尔费米子。确切的说,在具有双螺旋形结构和宇称破缺的光子晶体中,穿过光子晶体的光子有外尔费米子的属性。在光子晶体能带中,存在两个线性色散能带的交汇的奇点—外尔费米点。早期对外尔费米点能带结构的研究,只停留在微波波段。因为集成光子晶体器件的工作波段通常在近红外波段,微波波段的外尔费米点的研究,对于拓扑材料在集成光子晶体器件的应用,不能提供有力的支撑。更重要的是,外尔费米子的重要特征之一的外尔费米点的手性特征,在之前的研究中都被完全忽略。事实上,拓扑光子晶体的外尔费米点能够为我们提供了一个操控自旋角动量和圆二色性反转的平台。然而,实验上实现外尔费米点与自旋角动量在近红外波段的相互作用的挑战,是传统的加工方法无法直接获得具有超高折射率和复杂结构的亚微米尺寸的三维拓扑光子晶体。

Laser & Photonics Reviews:近红外波段I-型外尔费米点的自旋角动量、圆二色性的实验研究

该图展示了一个具有宇称破缺的双螺旋结构的光子晶体。外尔费米点是动量空间中贝利通量的正或者负得单极子,他们携带的手性特征用红色(正)和蓝色(负)来代替。左右两侧的图分别显示能带结构和实验测量的在不同交汇方向上外尔费米点的圆二色性。能带结构中,不同的颜色代表了圆二色性的模式的手性,而点的大小代表不同耦合模式的阶数。中间的示意图,显示了圆二色性探针的工作原理:具有相反拓扑荷(手性)的外尔费米点的对于沿两种不同晶向上传播的左手圆偏光和右手圆偏光的响应。


    最近,澳大利亚皇家墨尔本理工大学的顾敏院士课题组提出了一种新型方法,获得了亚微米尺寸的能够对近红外波段具有响应的高折射率的三维双螺旋形拓扑光子晶体,并首次从实验上研究了I-型外尔费米点的在近红外波段的性质。研究者首先用3D激光纳米打印技术,加工出了双螺旋形的光子晶体聚合物模板,再利用原子层沉积技术,将一种新型的高折射率纳米材料均匀的镀在聚合物模板上,这种具有‘芯-壳’ 结构的三维光子晶体具有传统加工方法不能实现的高折射率的特征和尺寸(尺寸:50 x 50 x 20 μm3)。研究者又通过在三维光子晶体中引入周期性的结构缺陷,获得了具有宇称破缺的双螺旋形拓扑光子晶体。

该团队获得的拓扑光子晶体拥有两对具有相反拓扑荷(手性)的外尔费米点,具有一种叫做“可逆的圆二色性”的效应。利用傅里叶变换近红外光谱仪,研究者测量了不同晶向传播的圆偏光的透射谱,从实验上证明了具有相反拓扑荷(手性)的外尔费米点的存在,并且研究了它对于圆偏振光的自旋角动量的影响。该工作中发现的圆二色性的机制,不仅展示了外尔费米点的拓扑属性具有控制自旋角动量的能力,而且为拓扑光子晶体在高灵敏度传感器,自旋电子学以及量子光电子学的应用提供了新的方向。更重要的是,由于外尔费米点的拓扑保护性质,也使得科学家在未来设计具有抗干扰、抗缺陷能力的功能性光子晶体器件成为可能。

    正如二维石墨烯的出色属性来源于石墨烯能带中的狄拉克点,外尔费米点作为它的三维类比,以及该课题组从实验上获得的拥有外尔费米点的三维拓扑光子晶体系统将具有无可限量的应用前景。相关工作发表于Laser & Photonics Reviews,文章链接为https://doi.org/10.1002/lpor.201700271,本文作者为Elena和Haoyi Yu。 



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