《基於壓電壓磁超晶格的光子拓撲絕緣體研究》是依託南京大學，由何程擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：基於壓電壓磁超晶格的光子拓撲絕緣體研究
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：何程
- 依託單位：南京大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
物質量子態拓撲性質的研究將凝聚態原子物理帶入了一個新的階段，拓撲描述和拓撲分類，如電子系統中整數量子霍爾效應和拓撲絕緣體。在光學方面，人工電磁結構的研究常常借鑑於電子系統，尋找原子物理的光學對應。研究表明磁電耦合的光子晶體中的無能隙線性偏振邊界態可類比拓撲絕緣體。但是，作為波色子的光子和作為費米子的電子的時間反演算符並不相同，我們發現即使是符合波色子時間反演對稱的雜質也會破壞其拓撲保護性質。本項目擬藉助電磁波在壓電壓磁超晶格中所形成的聲子極化激元，分析其晶格振動帶來的電磁能量轉換實現自旋軌道耦合，並引入宇稱－時間反演對稱性和本徵拓撲序的分析，研究可類比電子系統的光子巨觀類量子效應和其拓撲保護機制探究人工超構材料能帶的拓撲分類。發現其中可能存在的諸如光自旋量子霍爾效應，光的拓撲絕緣體，甚至聲的拓撲絕緣體，並探索光二極體，光電晶體和光隔離器等原理型光子邏輯器件的開發。
結題摘要
本項目主要關注可類比電子系統中的光/聲拓撲態問題。經過三年的研究，主要取得以下進展： 1、基於壓電/壓磁超晶格光子晶體中的聲子極化激元，提出了一種時間反演對稱性破缺的光拓撲絕緣體，指出實現玻色子拓撲絕緣體的關鍵是人工構造贗時間反演對稱性。超晶格的晶格振動可與入射電磁波耦合形成極化激元。且具有偏振依賴性：左旋光和右旋光與之耦合所形成的極化激元具有大小相同但符號相反的耦合係數，即偏振-軌道耦合，經歷相反的等效規範場，從而實現光拓撲絕緣體。更為重要的是，其中的磁電耦合使得左、右旋光滿足贗時間反演算符Tp（Tp2 = -1），確保了Kramers簡併。理論和模擬分析證明：光拓撲絕緣體的拓撲性質受人工構造的贗時間反演對稱性Tp保護，而不是通常認為的玻色子時間反演對稱性Tb。進一步研究發現：玻色子時間反演對稱對於設計和構造光拓撲絕緣體既不充分也不必要。時間反演對稱與否只反映系統是否需要外加“磁場”或存在“內在磁化”，若解除這一條件，則可獲得更多自由度，構造更易於實現的材料以調控拓撲光子態。 2、首次成功研製聲拓撲絕緣體並實驗驗證了聲量子自旋霍爾效應和背散射免疫的聲“魯棒”傳輸。我們基於石墨烯晶格的對稱性在布里淵區中心處構造了p帶和d帶偶然簡併的雙重狄拉克錐，在晶格對稱性保護下，利用該點處p帶和d帶聲布洛赫態之間的雜化，構造了縱聲波的兩種贗自旋態，通過贗自旋和軌道的相互作用實現了p-d能帶反轉，進而構造聲拓撲絕緣體的新機制。實驗證明，在拓撲波導中加入空腔、無序和彎曲等缺陷，聲波拓撲邊界態均可無背散射的通過，具有魯棒性，而常規界面波導中聲波則被強烈的反射。同時，申請人團隊巧妙地構造了一種“x”型的分路器模型，驗證了聲自旋量子霍爾效應和聲拓撲邊界態的手征螺旋傳播。 3、實驗實現了時間-宇稱同時破缺的電磁波單向負折射效應。 本項目總共發表項目相關論文8篇，他引100餘次，相關成果被國內外多家科技媒體報導，取得了一定的國際影響。
