深圳大學(xué)在《Science》發(fā)表最新研究成果
深圳大學(xué)實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)元江課題組、英國(guó)伯明翰大學(xué)張霜教授課題組和賓夕法尼亞州立大學(xué)劉超星教授課題組合作，通過(guò)非均勻的調(diào)制理想外爾超材料中元胞內(nèi)部結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)，首次在光學(xué)系統(tǒng)中觀測(cè)到手性零級(jí)朗道能級(jí)。相關(guān)成果以題為“Observation of chiral zero mode in inhomogeneous three-dimensional Weyl metamaterials”發(fā)表在國(guó)際頂尖期刊Science上。深圳大學(xué)博士后賈宏偉為論文第一作者，項(xiàng)元江副教授為論文的共同通訊作者，英國(guó)伯明翰大學(xué)、深圳大學(xué)為論文第一作者單位。 4IVCTz[
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在量子系統(tǒng)中, 一個(gè)帶電荷的粒子在外磁場(chǎng)的作用下在垂直于磁場(chǎng)的方向的運(yùn)動(dòng)會(huì)被束縛，從而產(chǎn)生了分立的量子能級(jí)，即朗道能級(jí) (Landau Level)。對(duì)于無(wú)質(zhì)量的相對(duì)論粒子，比如二維石墨烯中的狄拉克點(diǎn) (Dirac point)，朗道能級(jí)會(huì)存在一個(gè)零能態(tài)， 其波函數(shù)同時(shí)繼承了導(dǎo)帶（電子）和價(jià)帶（空穴）的量子態(tài)。二維系統(tǒng)的狄拉克粒子對(duì)應(yīng)到三維系統(tǒng)便是外爾點(diǎn) (Weyl point)，相當(dāng)于三維動(dòng)量空間中的磁單極。在外磁場(chǎng)下，根據(jù)其攜帶的拓?fù)浜?(topological charge) 的正負(fù)號(hào)，外爾點(diǎn)的零級(jí)朗道模式會(huì)沿著或逆著外磁場(chǎng)的方向單向傳播。與拓?fù)浣^緣體不同的是，這個(gè)單向傳播的模式是一種體態(tài) (bulk state)，而不是在界面?zhèn)鞑サ谋砻鎽B(tài)或邊緣態(tài)。 9tJiIr8i
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在高能物理中，狄拉克或外爾無(wú)質(zhì)量相對(duì)論粒子具有手性對(duì)稱(chēng)性，也就保證了其手性電流為守恒量。但是外界微擾的引入會(huì)破壞其手性對(duì)稱(chēng)性并導(dǎo)致手性電流不守恒，也就是手性異常。其中，外加磁場(chǎng)產(chǎn)生的零級(jí)手性朗道能級(jí)便是導(dǎo)致手性異常的最重要的方法。狄拉克和外爾準(zhǔn)粒子在電子和光學(xué)系統(tǒng)中的發(fā)現(xiàn)為在這些系統(tǒng)中觀測(cè)手性朗道能級(jí)提供了條件。然而，目前為止三維光學(xué)系統(tǒng)中手性朗道能級(jí)還沒(méi)有得到觀測(cè)。 {Q0"uE)-.
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在周期結(jié)構(gòu)材料中，外爾簡(jiǎn)并點(diǎn)是三維系統(tǒng)中的兩個(gè)能帶之間的二重的線性簡(jiǎn)并。由于空間維度與泡利矩陣維度相同，該簡(jiǎn)并點(diǎn)非常穩(wěn)定，只能在動(dòng)量空間中當(dāng)正負(fù)拓?fù)鋽?shù)相反的兩個(gè)簡(jiǎn)并點(diǎn)相遇并湮滅才能使其消失。同時(shí)，由于目前發(fā)現(xiàn)的外爾簡(jiǎn)并均為偶然簡(jiǎn)并，原則上可以在動(dòng)量空間中隨意調(diào)節(jié)其位置，這也就為制作人工的規(guī)范場(chǎng)提供了很好的機(jī)會(huì)。 + % 0+
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以往的設(shè)計(jì)人工磁場(chǎng)的方法都是通過(guò)外加應(yīng)力實(shí)現(xiàn)體系內(nèi)部發(fā)生非周期改變，根據(jù)緊束縛近似理論，這種應(yīng)力張量可以表示為矢量勢(shì)，也就產(chǎn)生了人工磁場(chǎng)。這種方法廣泛的應(yīng)用于二維體系。但是在三維體系中，由于體系的伸縮性不明顯，所以科學(xué)家只能理論上研究薄膜或者細(xì)線的幾何體中的人工磁場(chǎng)。因此，目前為止，人工磁場(chǎng)只在二維體系中實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)。而三維外爾體系中的人工磁場(chǎng)會(huì)產(chǎn)生更加有趣的物理現(xiàn)象，比如外爾準(zhǔn)粒子的手性傳輸。 m$3&r2vgi
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圖1. 非均勻外爾超材料的結(jié)構(gòu)以及色散關(guān)系。A：外爾超材料的結(jié)構(gòu)單元示意圖。通過(guò)改變結(jié)構(gòu)的方向可以調(diào)制外爾點(diǎn)在動(dòng)量空間的位置。B：整個(gè)樣品的示意圖。樣品的結(jié)構(gòu)單元從最左邊到右邊逐漸沿著順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)，從而導(dǎo)致外爾點(diǎn)在動(dòng)量空間也圍繞原點(diǎn)也逐漸旋轉(zhuǎn)。外爾點(diǎn)在動(dòng)量空間的位置代表了系統(tǒng)的磁矢勢(shì)。外爾點(diǎn)位置的Ky在x方向的梯度相當(dāng)于在z 方向產(chǎn)生了磁場(chǎng)。C：空間局部的能帶結(jié)構(gòu)。在13GHz左右存在著四個(gè)理想外爾點(diǎn)。D：沿著x方向四個(gè)不同位置的局域能帶結(jié)構(gòu)。外爾點(diǎn)在動(dòng)量空間的位置雖x的演化。 @f5X
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近期，英國(guó)伯明翰大學(xué)張霜教授課題組，深圳大學(xué)項(xiàng)元江副教授課題組與賓夕法尼亞州立大學(xué)劉超星教授課題組合作，首次通過(guò)調(diào)節(jié)外爾超材料中每個(gè)元胞內(nèi)部結(jié)構(gòu)，將整個(gè)外爾超材料做成非均勻體系，實(shí)現(xiàn)了三維光學(xué)外爾體系的人工磁場(chǎng)。他們拋棄了以往的通過(guò)緊束縛近似理論設(shè)計(jì)人工磁場(chǎng)的方法，從等效介質(zhì)理論出發(fā)，對(duì)外爾超材料元胞內(nèi)部結(jié)構(gòu)（如圖1A）進(jìn)行非周期的調(diào)節(jié)（如圖1B），實(shí)現(xiàn)了體系結(jié)構(gòu)中外爾點(diǎn)（如圖1C）在k空間的位置隨實(shí)空間坐標(biāo)的絕熱演變（如圖1D），從而產(chǎn)生了等效的人工規(guī)范場(chǎng)，也就是人工磁場(chǎng)。該人工磁場(chǎng)產(chǎn)生能夠產(chǎn)生手性朗道能級(jí)（如圖2A，B所示），對(duì)于不同的外爾點(diǎn)群速度的方向不同（如圖2C所示），也就是相反方向傳輸?shù)捏w態(tài)在k空間分離。因此在兩個(gè)1級(jí)朗道能級(jí)能帶區(qū)間，底面激發(fā)只能探測(cè)到向上傳輸?shù)牧慵?jí)朗道能級(jí)（如圖2D，E1-E7），相反，頂面激發(fā)只能探測(cè)到向下傳輸?shù)牧慵?jí)朗道能級(jí)（如圖2F，G1-G7）。這是光學(xué)系統(tǒng)中手性朗道能級(jí)的首次觀測(cè)。 nI-\HAX
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圖2. 非均勻外爾系統(tǒng)的手性朗道能級(jí)。A：外爾點(diǎn)Q3和Q4的朗道能級(jí)。零級(jí)模式的群速度向上。B：外爾點(diǎn)Q1和Q2的朗道能級(jí)。零級(jí)模式的群速度向下。C：四個(gè)外爾點(diǎn)的群速度分布的示意圖。D，F(xiàn)：實(shí)驗(yàn)測(cè)量的示意圖。E1-E7: 不同頻率的向上傳播的朗道模式的測(cè)量結(jié)果。在13G赫茲附近（E3-E5），只測(cè)到Q3和Q4的朗道零級(jí)模式（見(jiàn)虛線圓）。G1-G7:不同頻率的向下傳播的朗道模式的測(cè)量結(jié)果。在13G赫茲附近（E3-E5），只測(cè)到Q1和Q2的朗道零級(jí)模式（見(jiàn)虛線圓）。 %@LV oP!@!
這是項(xiàng)元江課題組和張霜教授課題組繼2018年初在《Science》發(fā)表關(guān)于理想外爾光學(xué)系統(tǒng)、《Nature Communications》發(fā)表關(guān)于拓?fù)涑牧现泄庾淤M(fèi)米弧的直接觀測(cè)、2017年在《Physical Review Letters》發(fā)表關(guān)于超材料三維光子狄拉克點(diǎn)等研究工作后，又一篇關(guān)于拓?fù)湮锢矸矫娴闹匾晒�。這個(gè)工作首次在電磁學(xué)范疇實(shí)現(xiàn)了三維外爾系統(tǒng)的人工磁場(chǎng)， 并觀測(cè)到由人工磁場(chǎng)實(shí)現(xiàn)的手性朗道能級(jí)。此工作提供了一個(gè)很好的平臺(tái)來(lái)研究三維經(jīng)典系統(tǒng)內(nèi)由強(qiáng)磁場(chǎng)導(dǎo)致的各種有趣的拓?fù)洮F(xiàn)象。觀測(cè)到的手性零級(jí)朗道能級(jí)，由于其單向體傳播的性質(zhì)，在實(shí)現(xiàn)新穎光學(xué)器件和系統(tǒng)方面有著潛在的應(yīng)用。 ,+f '%)s_x
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