中大新聞網(wǎng)訊（通訊員鄧偉民）中山大學(xué)物理學(xué)院、光電材料與技術(shù)國家重點實驗室董建文教授研究團隊用簡單的全介質(zhì)一維光子晶體實現(xiàn)了復(fù)雜的節(jié)線環(huán)簡并和能脊態(tài)，并實驗證實了能脊光子晶體帶隙中的表面態(tài)。該工作以“Ideal Nodal Rings of One-Dimensional Photonic Crystals in the Visible Region”為題，于2022年5月12日發(fā)表在光學(xué)領(lǐng)域高水平期刊Light: Science & Applications上。
光學(xué)狄拉克錐是一種特殊的線性能帶簡并態(tài)，普遍存在于各種二維光子晶體中。通過引入空間反演對稱性破缺，光學(xué)狄拉克錐會發(fā)生退簡并從而過渡至能谷態(tài)。相對應(yīng)的，光學(xué)節(jié)線環(huán)是一種存在于三維系統(tǒng)的能帶簡并態(tài)，它在能帶中表現(xiàn)為一個閉合的圓環(huán)。通過引入對稱性破缺，節(jié)線環(huán)可以過渡至能脊態(tài)。能脊態(tài)具有豐富的光學(xué)行為，如電磁波負折射、表面結(jié)構(gòu)依賴的古斯–漢森位移等。然而，復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)不利于上述行為在更高光頻段實現(xiàn)，甚至進一步獲得新型功能性光子器件。為此，如何用簡單的光學(xué)結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)能脊態(tài)，成為該領(lǐng)域迫切需要解決的問題。
針對上述問題，研究團隊創(chuàng)造性地將一維光子晶體非周期方向的動量考慮進來，巧妙地利用面內(nèi)的旋轉(zhuǎn)對稱性，最終設(shè)計出理想的節(jié)線環(huán)能帶。研究團隊使用電感耦合等離子體增強化學(xué)氣相沉積方法（ICP-CVD）制備了樣品，測量出500-1100 nm波段的角分辨反射譜，證實了節(jié)線環(huán)的存在。進一步，研究團隊打破光子晶體的空間反演對稱性，使得節(jié)線環(huán)簡并過渡到有帶隙的能脊態(tài)，并通過計算拓撲不變量預(yù)言該帶隙中存在受拓撲保護的界面態(tài)。結(jié)合前期開發(fā)的低損耗富硅氮化硅薄膜生長工藝，研究團隊制備出樣品，并測量600-1100 nm波段的角分辨反射譜，在實驗上觀測到界面態(tài)。此外，研究團隊還發(fā)現(xiàn)節(jié)線環(huán)和光學(xué)Tamm態(tài)之間存在密切的聯(lián)系。光學(xué)Tamm態(tài)是在一維光子晶體和金屬的界面處可能存在的一種表面態(tài)。研究團隊發(fā)現(xiàn)金屬和節(jié)線環(huán)光子晶體的界面處必然會存在光學(xué)Tamm態(tài)，該結(jié)論為確定性指出并設(shè)計光學(xué)Tamm態(tài)提供了理論指導(dǎo)。研究團隊使用電子束蒸發(fā)方法在一維節(jié)線環(huán)光子晶體表面鍍上一層銀膜，通過測量600-1000 nm波段的角分辨反射譜證實了光學(xué)Tamm態(tài)的存在。
該工作為在光學(xué)波段實現(xiàn)表面態(tài)的負折射、表面結(jié)構(gòu)依賴的古斯–漢森位移等光學(xué)現(xiàn)象提供了基礎(chǔ)。此外，通過引入其他類型的對稱性破缺，節(jié)線環(huán)也可以過渡至外爾點簡并。因此，該工作也為探索外爾點及其相關(guān)的拓撲表面態(tài)在微納光學(xué)中的應(yīng)用提供了可能。
(a)節(jié)線環(huán)簡并能帶圖；(b)和(c)：節(jié)線環(huán)解簡并后帶隙中表面態(tài)色散曲線的(b)模擬和(c)實驗測量結(jié)果
該工作由中山大學(xué)獨立完成（唯一署名單位），鄧偉民博士后為第一作者，陳文杰教授和董建文教授為共同通訊作者。上述工作得到了國家自然科學(xué)基金重點項目、廣東省杰青等省市項目，以及光電材料與技術(shù)國家重點實驗室和物理學(xué)院的大力支持。
