“2017中國光學(xué)十大進展”發(fā)布會于3月13日晚在上海舉行。我校物理學(xué)院董建文教授研究組“能谷光子晶體中的贗自旋和拓撲調(diào)控”研究成果，成功入選了“2017中國光學(xué)十大進展”。該獎項旨在介紹國內(nèi)科研人員在國際知名學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表的與光學(xué)相關(guān)的具有重要學(xué)術(shù)與應(yīng)用價值的論文，分別面向基礎(chǔ)研究與應(yīng)用研究，促進其研究成果在國內(nèi)的推廣傳播。該獎項前身為“中國光學(xué)重要成果”，歷時12年，已經(jīng)遴選出中國光學(xué)重要成果275項。這一獎項，已經(jīng)在學(xué)術(shù)界被廣泛認可。
光場調(diào)控是對電磁波的位相、偏振、振幅等經(jīng)典自由度實現(xiàn)有效調(diào)控。近年來，人們開始轉(zhuǎn)向關(guān)注多個自由度之間的耦合，尤其是拓撲光學(xué)中諸如自旋、軌道、能谷、渦旋光場等新自由度的關(guān)聯(lián)調(diào)控。拓撲光學(xué)體系中類量子化的電磁關(guān)聯(lián)行為，有利于探索新型光傳輸、實現(xiàn)精確光場調(diào)控如單向抗散射傳輸、光延遲、光學(xué)外爾點等新現(xiàn)象，也有利于拓撲量子計算、非線性光學(xué)、拓撲信息學(xué)等領(lǐng)域和學(xué)科的發(fā)展。
2017年，董建文教授團隊與加州大學(xué)伯克利分校張翔教授課題組合作，通過構(gòu)建能谷光子晶體（圖2），利用“能谷-贗自旋”耦合，預(yù)言了光子能谷霍爾效應(yīng)，實現(xiàn)了贗自旋單向傳輸?shù)纫幌盗型負涔鈱W(xué)新現(xiàn)象。相關(guān)工作發(fā)表在Nature Materials [16, 298 (2017)]上。
能谷光子晶體示意圖
該能谷光子晶體具有電磁對偶對稱性，在空間反演破缺的條件下，由于能谷-贗自旋相互作用實現(xiàn)了能谷附近的能帶劈裂，支持光學(xué)贗自旋-路徑關(guān)聯(lián)傳輸，即光子能谷霍爾效應(yīng)，如圖2所示。電磁對偶能谷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(yīng)反相Ez和Hz。當(dāng)光源從頂端入射到能谷光子晶體時，沿左下方能谷K傳輸?shù)氖勤I自旋向下能流，而沿右下方能谷K’傳輸?shù)氖勤I自旋向上能流。需要說明的是，該能谷光子晶體的所有拓撲不變量均為0，表明該系統(tǒng)的確是拓撲平庸的。至此，利用結(jié)構(gòu)內(nèi)稟的能谷自由度以及新型能谷-贗自旋相互作用，證明了拓撲平庸體系中的光學(xué)能谷霍爾效應(yīng)，獲得了贗自旋-路徑關(guān)聯(lián)行為。
光學(xué)能谷霍爾效應(yīng)。（a）能谷-贗自旋鎖定；（b）電場分布。
同時，通過分析該能谷光子晶體內(nèi)的本征電磁場手征量，這一工作實現(xiàn)了贗自旋能流的單向傳輸。更為有趣的是，文章還在單一體系中，對能谷和拓撲兩個自由度進行獨立調(diào)控，實現(xiàn)了全新的拓撲光子界面態(tài)。該研究表明，實現(xiàn)有效的拓撲光場調(diào)控，將有利于更多基本量子物理問題的實驗證實；同時也為新型光場多維度調(diào)控物理及應(yīng)用，尤其是在光子自旋和軌道角動量運用等方面，帶來新的有益啟示。
董建文教授及其團隊陳曉東專職副研究員為論文的共同第一作者，張翔教授為通訊作者。本工作以中山大學(xué)為第一單位，受到國家自然科學(xué)基金委基金、廣東省杰青基金、廣東省特支人才計劃、中山大學(xué)優(yōu)秀青年教師培養(yǎng)計劃等資助。
論文鏈接：http://www.nature.com/nmat/journal/v16/n3/full/nmat4807.html
