能穀光子晶體中的贗自旋和拓撲調控

中山大學董建文教授與加州大學伯克利分校張翔教授合作，理論設計了能穀光子晶體，獲得了新型能穀-贗自旋相互作用，並實現了贗自旋和拓撲調控。

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2016年，諾貝爾物理學獎授予了三位物理學家，以表彰他們在拓撲相變和拓撲物態的理論研究方麵做出的卓越貢獻。

近年來，拓撲概念在物理學中大放異彩，其應用更是延伸至光學領域，新型光拓撲相被找尋到，其邊界上的無帶隙界麵態也得到了證明。這種界麵態中光的贗自旋（人工構造的新型自由度，類似於電子自旋）和傳播方向是關聯的（即贗自旋-路徑鎖定），使得具有不同贗自旋的光能量沿著不同方向傳播。

拓撲光學體係界麵的這種類量子化電磁關聯行為，為探索新型光傳輸、實現精確光場調控如單向抗散射傳輸、光延遲線、光學外爾點、拓撲量子計算、非線性光學、拓撲信息學等領域和學科發展帶來新的契機。一般認為，這種關聯行為要求體係具有非平庸屬性。能否在普通體係中實現關聯行為,放寬拓撲非平庸這一嚴苛條件，進而獲得新的拓撲光子態，是目前一個重要的學術前沿問題。

“要解決這個問題，關鍵是引入新的相互作用形式”，中山大學董建文教授說到。受電子能穀自由度能實現電子高效傳輸的啟發，董建文教授團隊與加州大學伯克利分校張翔教授課題組合作，通過構建能穀光子晶體（圖1），獲得了新型能穀-贗自旋相互作用，並實現了贗自旋和拓撲調控。相關工作發表在Nature Materials [16, 298 (2017)]上。

圖1 能穀光子晶體示意圖

該能穀光子晶體具有電磁對偶對稱性，在空間反演破缺的條件下，由於能穀-贗自旋相互作用實現了能穀附近的能帶劈裂，支持光學贗自旋-路徑關聯傳輸，即光學能穀霍爾效應，如圖2所示。電磁對偶能穀光子晶體具有一對孿生贗自旋，其中贗自旋向上具有同相Ez和Hz，而贗自旋向下則對應反相Ez和Hz。

當光源從頂端入射到能穀光子晶體時，沿左下方能穀K傳輸的是贗自旋向下能流，而沿右下方能穀K’傳輸的是贗自旋向上能流。需要說明的是，該能穀光子晶體的所有拓撲不變量均為0，表明該係統的確是拓撲平庸的。至此，利用其內稟的能穀自由度以及新型能穀-贗自旋相互作用，他們證明了拓撲平庸體係中的光學能穀霍爾效應，獲得了贗自旋-路徑關聯行為。