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2021-07-06 作者:物理學院 來源:科學技術處

鈮酸鋰光子芯片上實現外爾點的旋轉

近日,南京大學物理學院劉輝教授和祝世寧教授課題組與武漢大學物理科學與技術學院肖孟教授合作,在基於鈮酸鋰光學芯片的拓撲光子學上取得重要進展,首次實現了在合成參數空間裏對外爾晶體的任意旋轉,並且觀測到了在兩個相互旋轉的外爾晶體之間的拓撲界面態。

自量子霍爾效應發現以來,拓撲材料,如拓撲絕緣體、拓撲半金屬等,如雨後春筍般在各種物理系統中得以實現。外爾(Weyl)半金屬是一種帶有外爾點的拓撲半金屬,近年來引起學者越來越多的關注。外爾點是三維空間帶拓撲核的能帶簡併點,表現為帶有特定貝利(Berry)通量的“磁單極子”,因而也可以以此定義外爾點的手性,即貝利通量的正負。在外爾半金屬的界面,將出現費米弧型的拓撲界面態連接不同手性的外爾點。類比於電子體系的外爾半金屬,人們也構造出經典波體系中的外爾半金屬。近年來, 旋轉石墨烯新材料吸引了研究者的廣泛興趣,人們發現了魔角石墨烯和石墨烯超導體等。雖然外爾物理已經被廣泛地探索,但大多數的研究都聚焦於單個外爾半金屬的費米弧型表面態上,目前關於兩個相互旋轉的外爾半金屬之間界面的物理卻很少被討論,這其中一個很重要的原因是很難構造乾淨的界面。在實驗上,構造該類界面需要滿足嚴格的晶格匹配,因此無論是在電子材料,還是光子晶體、超材料這些體系中,都很難實現。

 研究團隊在鈮酸鋰薄膜(LNOI)芯片上設計了四組元波導陣列【托寶集運】,光場在傳播過程中會逐步向兩邊擴散。研究團隊也利用LNOI的二次諧波產生(SHG)這種非線性光學的手段觀測到了拓撲界面態。該研究不僅首次在實驗上探索了兩個相互旋轉外爾晶體界面上的物理,而且為在LNOI芯片上研究拓撲光子學提供了思路,有望在集成非線性和量子光學得到應用。

 

圖1 (a),鈮酸鋰芯片上一維四組元波導陣列的截面示意圖,原胞裏包含四根波導,p和q是引入的結構參數。(b),兩個獨立的外爾晶體。這裏引入了兩個圍繞各自外爾點的相同大小的旋轉回路。(c)將兩個外爾晶體在合成參數空間拼接在一起,對(b)圖定義的迴路系統邊界態的數值計算結果。在新的(φ1,φ2)空間,帶隙裏存在對應於兩類界面態的曲面(下面板)。而上面板是投影到(φ1,φ2)平面的結果,其中沿黑色虛線遍歷會得到拓撲非平庸的情況,而沿白色虛線遍歷則會導致平庸的結果。(d),針對兩個不同路徑的仿真能譜,其中灰色區域代表體帶。路徑φ2=-φ1-0.1π(上面板,代表兩個外爾晶體沿着相反的方向旋轉,是拓撲非平庸的)和路徑φ21+0.9π(下面板,代表兩個外爾晶體沿着相同的方向旋轉,是平庸的)。

圖2 模擬和實驗結果對比。(a),樣品的SEM俯視圖。左邊的波導陣列構成外爾點WP1,右邊的波導陣列構成外爾點WP2,兩者中間形成界面。(b),(a)圖的藍色方框區域放大圖。(c), (e), (g) 傳播模擬圖。支持界面態的情況:φ1=-0.45π(c), φ1=0.3π(e);不支持界面態的情況:φ1=π(g),這裏φ2=-φ1-0.1π。(d), (f), (h) 上面板為實驗測量的波導出射端面光場分佈。下面板展示了實驗光強分佈(黑色曲線)和理論模擬(紅色柱狀圖)的比較,φ1=-0.45π(d),φ1=0.3π(f),φ1=π(h)

研究成果以“Probing rotated Weyl physics on nonlinear lithium niobate-on-insulator chips”為題於2021年7月1日發表在物理學旗艦刊物Physical Review Letters1上。南京大學博士生嚴志偉和南洋理工大學的博士後王強是文章的共同第一作者,劉輝教授和肖孟教授為共同通訊作者。該項工作得到國家重大科學研究計劃和國家自然科學基金的資助,以及南京大學固體微結構物理國家重點實驗室與微結構科學與技術協同創新中心的支持。

參考文獻

  1. Zhi-Wei Yan, Qiang Wang, Meng Xiao, Yu-Le Zhao, Shi-Ning Zhu, and Hui Liu, “Probing Rotated Weyl Physics on Nonlinear Lithium Niobate-on-Insulator Chips”,Phys.Rev. Lett.127, 013901 (2021).

  2. Qiang Wang,Meng Xiao,Hui Liu, Shining Zhu, and C. T. Chan,“Optical interface states protected by synthetic Weyl points”,Phys.Rev. X.7, 031032 (2017).

  3. Qiang Wang, Kun Ding, Hui Liu, Shining Zhu, and C. T. Chan, "Exceptional cones in 4D parameter space," Opt. Express 28, 1758-1770 (2020).

  4. Fan Zhong, Kun Ding, Ye Zhang, Shining Zhu, C.T. Chan, and Hui Liu, “Angle-Resolved Thermal Emission Spectroscopy Characterization of Non-Hermitian Metacrystals”,Phys.Rev. Applied. 13, 014071 (2020).

  5. Mengying Hu, Kun Ding, Tong Qiao, Xi Jiang, Qiang Wang, Shining Zhu, and Hui Liu, “Realization of photonic charge-2 Dirac point by engineering super-modes in topological superlattices”, Commun Phys 3, 130 (2020).