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非厄米雙層光子晶體體系中的奇異同心環
【導讀】
近日，南京大學盧明輝教授課題組報道了非厄米雙層光子晶體體系中的奇異同心環結構，在堆疊二維光子材料中理論分析了由非厄米引入導致的奇異點不同拓撲構型的演變，并在硅材料體系的模擬實驗中得到證實。相關成果以“Exceptional concentric rings in a non-Hermitian bilayer photonic system”為題發表在Physical Reivew B 上。
圖1 (a)非厄米緊束縛模型；(b-c) EPs環構型；(d-e)EPs同心環構型；(f-g)EPs環與同心環共存。
【研究背景】
奇異點（EPs）是非厄米體系與厄米體系相比極為標志性的不同，對應于兩個或多個本征值塌縮成一個本征值或本征矢的點。奇異點在光子學中具有大量新奇的效應與應用，如單向反射與透射、空間時間（PT）對稱性破缺的激光器、缺陷免疫的傳輸等。另一方面，Dirac點在光子晶體中對應許多有趣的物理現象，如零折射率、光子拓撲絕緣體等。當Dirac光子晶體中引入增益損耗時，原有的Dirac點發生整形形成EPs環，在實空間形成圓盤的平帶區域，對光的群速度調控具有重要價值。
當前，二維電子材料的堆疊引起了人們廣泛的興趣，如魔角石墨烯為高溫超導的實現提供了思路。同樣的，光子晶體的堆疊也構造了新的物理系統（堆疊二維光子材料），其中的非厄米的引入涉及到多EP點的協調組合，為平帶調控以及由其引申的群速度的調控具有重大意義，但詳細機制仍然不為人所知。
圖2 (a)硅材料為基礎的雙層光子晶體；(b-c)模擬實驗得到的EPs同心環結構；(d-f)具有增益與損耗的表面弧。
【創新研究】
針對上述問題，本項工作的研究人員首先建立了基于雙層光子晶體的非厄米緊束縛模型，并探討了PT對稱性以及粒子空穴對稱性對EP點組合的影響，發現了EP環與EP同心環的演變規律。之后，通過構造基于復雜EP系統的拓撲不變量，將EP環與EP同心環進行定性描述，并在以硅材料為基礎的雙層光子晶體中通過模擬實驗觀察到了EP同心環以及具有增益與損耗的邊界態表面弧。該研究揭示了堆疊二維光子材料中的非厄米效應，并模擬觀測到了EP同心環的群速度調節新平臺，以及具有增益損耗的表面弧行為，極大促進了人們對堆疊材料中非厄米效應的認識與應用。
相關研究得到國家自然科學基金，國家重點研發計劃，國家杰出青年基金項目的支持。
原文引自“兩江科技評論”微信公眾號。
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