注：本文由論文作者供稿

光學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（名詞解釋：光子晶體）中。通過引入空間反演對稱性破缺，光學狄拉克錐會發(fā)生退簡并從而過渡至能谷態(tài)（圖1（a）） ，這種光子晶體被稱為能谷光子晶體。

能谷光子晶體的帶隙中存在受能谷保護的邊界態(tài)，目前已經在 SOI 光子晶體平板中得到了驗證，實現了急彎波導、微腔激射等微納光子集成器件。

圖1：（a）二維系統(tǒng)中的狄拉克錐和能谷態(tài)的能帶示意圖；
（b）：三維系統(tǒng)中的節(jié)線環(huán)和能脊態(tài)的能帶示意圖。

相對應的，光學節(jié)線環(huán)是一種存在于三維結構的能帶簡并態(tài)，它在能帶中表現為一個閉合的圓環(huán)。通過引入對稱性破缺，節(jié)線環(huán)可以過渡至能脊態(tài)（圖1（b））。

相比于能谷態(tài)，能脊態(tài)具有更豐富的光學行為，如電磁波負折射、表面結構依賴的古斯–漢森位移等。然而，復雜的三維結構不利于上述行為在更高光頻段實現，甚至進一步獲得新型功能性光子器件。為此，能否用簡單的光學結構來實現能脊態(tài)，成為該領域迫切需要解決的問題。

鑒于此，近日，來自中山大學物理學院、光電材料與技術國家重點實驗室董建文教授、陳文杰教授、陳曉東副教授的研究團隊用簡單的全介質一維光子晶體，實現了理想的光學節(jié)線環(huán)簡并態(tài)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)。

該研究成果以"Ideal Nodal Rings of One-Dimensional Photonic Crystals in the Visible Region"為題在線發(fā)表在 Light: Science & Applications。中山大學是獨立完成單位，論文第一作者是鄧偉民博士后，通訊作者是陳文杰教授和董建文教授。

這項工作的研究亮點包括以下三方面：

1、 一維節(jié)線環(huán)光子晶體

一般認為，一維光子晶體只能實現一維動量空間中的拓撲態(tài)。節(jié)線環(huán)是三維動量空間中的能帶簡并態(tài)，似乎不可能用一維光子晶體實現。研究團隊研究了由二氧化硅和氮化硅材料組成的一維光子晶體（圖2（a）），創(chuàng)造性地將非周期方向的動量考慮進來，巧妙地利用面內的旋轉對稱性，最終設計出理想的節(jié)線環(huán)能帶（圖2（b））。研究團隊使用電感耦合等離子體增強化學氣相沉積方法（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（圖2（c））。

圖2：一維光子晶體中理想的節(jié)線環(huán)能帶。
（a）：節(jié)線環(huán)光子晶體示意圖；
（b）：節(jié)線環(huán)能帶；
（c）：節(jié)線環(huán)光子晶體的角分辨反射譜。

2、 一維能脊光子晶體

進一步，研究團隊將上述節(jié)線環(huán)光子晶體原胞中的一層氮化硅材料（n=2）替換為富硅氮化硅（n=3），從而打破了結構的空間反演對稱性。（如圖3（a））。

此時，無帶隙的節(jié)線環(huán)簡并會過渡到有帶隙的能脊態(tài)。他們把這種光子晶體稱為能脊光子晶體。

與能谷光子晶體類似，計算結果表明在原本節(jié)線環(huán)的位置附近形成了環(huán)流狀的貝利磁通，這意味著該帶隙中存在受拓撲保護的界面態(tài)（圖3（c））。

結合前期開發(fā)的低損耗富硅氮化硅薄膜生長工藝，研究團隊制備出一維能脊光子晶體，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)（圖3（d））。

圖3：能脊光子晶體及其拓撲界面態(tài)。
（a）：能脊光子晶體的周期單元示意圖；
（b）：打開節(jié)線環(huán)簡并后的能脊態(tài)。
（c）和（d）：帶隙中拓撲界面態(tài)色散曲線的（c）模擬和（d）實驗結果。

3、光學 Tamm 態(tài)與節(jié)線環(huán)的內在聯系

本世紀初，人們發(fā)現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)，稱之為光學 Tamm 態(tài)。

在該工作中，研究團隊發(fā)現節(jié)線環(huán)簡并處剛好是光子晶體反射相位的奇點，這使得光學 Tamm 態(tài)的存在條件總是可以得到滿足。因此，在金屬和節(jié)線環(huán)光子晶體的界面處必然會存在由相位奇點保護的光學 Tamm 態(tài)，這為確定性指出并設計光學Tamm 態(tài)提供了理論指導。

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 Tamm 態(tài)的存在。

圖4：節(jié)線環(huán)光子晶體的Tamm表面態(tài)。
（a）：一維光子晶體與銀的界面示意圖。
（b）和（c）：光學Tamm態(tài)色散曲線的（b）模擬和（c）實驗結果。

研究人員利用簡單的全介質一維光子晶體實現了復雜的節(jié)線環(huán)和能脊態(tài)，為在光學波段實現表面態(tài)的負折射、表面結構依賴的古斯–漢森位移等光學現象提供了基礎。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。

該工作提出的一維節(jié)線環(huán)光子晶體為探索外爾點及其相關的拓撲表面態(tài)在微納光學中的應用提供了可能。

| 論文信息 | 

Deng, WM., Chen, ZM., Li, MY. et al. Ideal nodal rings of one-dimensional photonic crystals in the visible region. Light Sci Appl 11, 134 (2022). https://doi.org/10.1038/s41377-022-00821-9

監(jiān)制 | 趙陽

編輯 | 趙唯

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