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          南開大學平帶光子學領域國際合作研究取得重要進展

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            近日,南開大學物理科學學院與韓國基礎科學研究院的科研人員合作,在平帶光子學領域取得重要研究進展。他們首次在特殊設計的平帶光子晶格中實驗直接觀測到類似三維圓環面上的新型環狀平帶模式,揭示瞭平帶晶格系統中的實空間拓撲特性。

            電子在周期晶格中的跳躍一直是固體物理及其交叉領域一個古老而富有生機的研究課題。通常,電子跳躍的能量與其動量緊密相關,呈現出五彩繽紛的能帶色散曲線。在某些具有平移不變的晶格體系,通過對晶格內部對稱性或耦合的智能調控,可以實現一個或多個完全平坦的能量色散帶,理論上不依賴於動量,故而被稱為平帶 (flat band)。最初平帶概念的引入隻是固體物理中用來研究鐵磁性物質性能的便利理論工具,而如今,平帶體系已涉及到物理學的諸多領域,從電子系統到超冷原子氣體,從人工超構材料到光子器件的設計。尤其是在光子學領域,利用平帶體系來實現光場調控的可能應用非常廣泛,包括光子傳感器、光信號處理及圖像傳輸、非線性光學元件和微型激光器等。平帶物理的研究正成為一個方興未艾,激動人心的課題。

            平帶與拓撲是目前量子力學和凝聚態物理領域的兩個前沿概念。平帶系統一直是研究與磁場無關的復雜多體量子態和強關聯多體物理的完美平臺。在平帶中,電子動能完全猝滅,其跳躍被認為是不可移動或局域的。在光學體系,平帶與拓撲這兩個概念的有機結合,使得平帶光子系統和拓撲光子學的相關研究迎來瞭極為快速的發展。可調可控的光子系統已成為研究平帶和拓撲前沿物理問題的實驗平臺,為實現新穎光子態和光場調控提供瞭新的途徑。

            (左)模擬二維無限Kagome晶格兩個不可壓縮的環形態的圓環面; (中) Corbino-Kagome結構示意圖,黃色圓環代表不可壓縮局域模式;(右) 實驗制備的Corbino-Kagome光子晶格。

            通常情況下,材料的拓撲性質來自於動量空間的拓撲保護。在此工作中,南開課題組與合作者從理論和實驗兩方面研究瞭非傳統環形平帶模式與實空間拓撲保護的關聯。在大部分所謂幾何“阻挫”的晶格結構中,動量空間平帶在一些離散的點處與色散帶交叉,交叉點處的能帶簡並說明該系統中平帶局域模式是不完備的。也就是說,存在一些“丟失態”才能構成完備的平帶局域模式集合。研究表明,這些“丟失態”存在於無限晶格體系,或由一個滿足周期性邊界條件沿著圓環面的不可壓縮的環形態表征(見左圖),它們由系統的實空間拓撲特性引起。雖然這些非傳統的環形平帶模在理論上被預言,對理解平帶系統的基本物理中起著關鍵作用,但由於對周期邊界條件的苛刻要求等原因,在傳統材料中很難實現。本工作以二維Kagome晶格為起點,巧妙設計瞭環形的Corbino有限光子晶格結構(見中圖),並利用低功率連續激光直寫的方法在非線性晶體中誘導出這樣的光子晶格(見右圖),從而首次直接實驗觀察到瞭與實空間拓撲特性相關的不可壓縮環形態,並實驗證明瞭與非平凡平帶環形態相關的邊界模式的魯棒性。通過對不可壓縮環形態的直接觀測和嚴格分析表明,環形Kagome光子晶格在動量空間中具有平帶能帶觸點,而這些非常規的平帶環形態的展現於Bloch函數存在奇點有關,由晶格的實空間拓撲特性決定。該研究結果對於理解拓撲平帶以及強關聯系統的有趣物理現象具有重要意義。

            目前,該成果文章已發表在 《物理評論快報》(Physical Review Letters)上,題為“Direct Observation of Flatband Loop States Arising from Nontrivial Real-Space Topology”。本工作南開大學為第一完成單位,南開大學博士生馬繼娜、韓國基礎科學研究院博士後Jun-Won Rhim為共同第一作者,南開大學陳志剛教授、唐莉勤副教授為共同通訊作者。相關工作得到瞭國傢重點研發計劃項目、國傢自然科學基金委項目等資助。

            該課題組最近在不同的平帶光子晶格中針對基礎物理現象的研究取得瞭一系列重要進展,相關工作相繼發表在《Physical Review Letters》《Advanced Optics Materials》《APL Photonics》等。目前已受邀撰寫瞭兩篇平帶光子學方面的綜述性文章,分別發表在《Nanophotonics》和《物理學報》上。