教育部二维材料光电科技国际合作联合实验室范滇元院士团队、项元江副教授课题组在《Science》发表高水平学术论文

发表于 2019-01-11 10:47

      实验室项元江课题组、英国伯明翰大学张霜教授课题组和宾夕法尼亚州立大学刘超星教授课题组合作，通过非均匀的调制理想外尔超材料中元胞内部结构的几何参数，首次在光学系统中观测到手性零级朗道能级。相关成果以题为“Observation of chiral zero mode in inhomogeneous three-dimensional Weyl metamaterials”发表在国际顶尖期刊Science上。深圳大学博士后贾宏伟为论文第一作者，项元江副教授为论文的共同通讯作者，英国伯明翰大学、深圳大学为论文第一作者单位。

图1. 非均匀外尔超材料的结构以及色散关系

      在高能物理中，狄拉克或外尔无质量相对论粒子具有手性对称性，也就保证了其手性电流为守恒量。但是外界微扰的引入会破坏其手性对称性并导致手性电流不守恒，也就是手性异常。其中，外加磁场产生的零级手性朗道能级便是导致手性异常的最重要的方法。狄拉克和外尔准粒子在电子和光学系统中的发现为在这些系统中观测手性朗道能级提供了条件。然而，目前为止光学系统中手性朗道能级还没有得到观测，其是否存在还没有经过实验证明。外尔简并点是一种二重的线性简并，由于空间维度与Pauli矩阵维度相同，该简并点非常稳定，只能在k空间中正负拓扑数相反的两个简并点湮灭才能使其消失。同时，由于目前发现的外尔简并均为偶然简并，可以在k空间中通过调节其位置，这也就为我们制作人工的规范场提供了很好的机会。以往的设计人工磁场的方法都是通过外加应力实现体系内部发生非周期改变，根据紧束缚近似理论，这种应力张量可以表示为矢量势，也就产生了人工磁场。这种方法广泛的应用于二位体系，但是在三维体系中，由于体系的伸缩性不明显，所以科学家只能理论上研究薄膜或者细线的几何体中。因此，目前为止，人工磁场只在二维体系中实验上实现，三维外尔体系中的人工磁场会产生非常有趣的物理现象，比如准粒子的手性传输。

图2 非均匀外尔系统的手性朗道能级  

       近期，英国伯明翰大学张霜教授课题组，深圳大学项元江副教授课题组与宾夕法尼亚州立大学刘超星教授课题组合作，首次通过调节外尔超材料中每个元胞内部结构，将整个外尔超材料做成非均匀体系，实现了三维光学外尔体系的人工磁场。他们抛弃了以往的通过紧束缚近似理论设计人工磁场的方法，从等效介质理论出发，对外尔超材料元胞内部结构（如图1A）进行非周期的调节（如图1B），实现了体系结构中外尔点（如图1C）在k空间的位置随实空间坐标的绝热演变（如图1D），从而产生了等效的人工规范场，也就是人工磁场。该人工磁场产生能够产生手性朗道能级（如图2A，B所示），对于不同的外尔点群速度的方向不同（如图2C所示），也就是相反方向传输的体态在k空间分离。因此在两个1级朗道能级能带区间，底面激发只能探测到向上传输的零级朗道能级（如图2D，E1-E7），相反，顶面激发只能探测到向下传输的零级朗道能级（如图2F，G1-G7）。这是光学系统中手性朗道能级的首次观测。

       这是项元江课题组和张霜教授课题组继2018年初在《Science》发表关于理想外尔光学系统、《Nature Communications》发表关于拓扑超材料中光子费米弧的直接观测、2017年在《Physical Review Letters》发表关于超材料三维光子狄拉克点等研究工作后，又一篇关于拓扑物理方面的重要成果。该成果在拓扑物理学具有非常重要的参考价值。同时由于该系统无需外部磁场的引入便可以实现单向传输的体态，这对于未来实现光学信息的稳定传输（如光纤传输）并克服背向散射带来的能量损失具有重要的作用。

       该工作得到了国家自然科学基金基金的资助。原文链接：http://science.sciencemag.org/content/363/6423/148.full