中山大學(xué)董建文教授與加州大學(xué)伯克利分校張翔教授合作，理論設(shè)計(jì)了能谷光子晶體，獲得了新型能谷-贗自旋相互作用，并實(shí)現(xiàn)了贗自旋和拓?fù)湔{(diào)控。
2017中國光學(xué)重要成果推薦
2016年，諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予了三位物理學(xué)家，以表彰他們?cè)谕負(fù)湎嘧兒屯負(fù)湮飸B(tài)的理論研究方面做出的卓越貢獻(xiàn)。
近年來，拓?fù)涓拍钤谖锢韺W(xué)中大放異彩，其應(yīng)用更是延伸至光學(xué)領(lǐng)域，新型光拓?fù)湎啾徽覍さ?，其邊界上的無帶隙界面態(tài)也得到了證明。這種界面態(tài)中光的贗自旋（人工構(gòu)造的新型自由度，類似于電子自旋）和傳播方向是關(guān)聯(lián)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?fù)涔鈱W(xué)體系界面的這種類量子化電磁關(guān)聯(lián)行為，為探索新型光傳輸、實(shí)現(xiàn)精確光場(chǎng)調(diào)控如單向抗散射傳輸、光延遲線、光學(xué)外爾點(diǎn)、拓?fù)淞孔佑?jì)算、非線性光學(xué)、拓?fù)湫畔W(xué)等領(lǐng)域和學(xué)科發(fā)展帶來新的契機(jī)。一般認(rèn)為，這種關(guān)聯(lián)行為要求體系具有非平庸屬性。能否在普通體系中實(shí)現(xiàn)關(guān)聯(lián)行為,放寬拓?fù)浞瞧接惯@一嚴(yán)苛條件，進(jìn)而獲得新的拓?fù)涔庾討B(tài)，是目前一個(gè)重要的學(xué)術(shù)前沿問題。
“要解決這個(gè)問題，關(guān)鍵是引入新的相互作用形式”，中山大學(xué)董建文教授說到。受電子能谷自由度能實(shí)現(xiàn)電子高效傳輸?shù)膯l(fā)，董建文教授團(tuán)隊(duì)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1），獲得了新型能谷-贗自旋相互作用，并實(shí)現(xiàn)了贗自旋和拓?fù)湔{(diào)控。相關(guān)工作發(fā)表在Nature Materials [16, 298 (2017)]上。
圖1 能谷光子晶體示意圖
該能谷光子晶體具有電磁對(duì)偶對(duì)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(shí)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，即光學(xué)能谷霍爾效應(yīng)，如圖2所示。電磁對(duì)偶能谷光子晶體具有一對(duì)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(duì)應(yīng)反相Ez和Hz。
當(dāng)光源從頂端入射到能谷光子晶體時(shí)，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?fù)洳蛔兞烤鶠?，表明該系統(tǒng)的確是拓?fù)淦接沟?。至此，利用其?nèi)稟的能谷自由度以及新型能谷-贗自旋相互作用，他們證明了拓?fù)淦接贵w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。
同時(shí)，通過分析該能谷光子晶體內(nèi)的本征電磁場(chǎng)手征量，這一工作實(shí)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(duì)能谷和拓?fù)鋬蓚€(gè)自由度進(jìn)行獨(dú)立調(diào)控，實(shí)現(xiàn)了全新的拓?fù)涔庾咏缑鎽B(tài)。
該研究表明，實(shí)現(xiàn)有效的拓?fù)涔鈭?chǎng)調(diào)控，將有利于更多基本量子物理問題的實(shí)驗(yàn)證實(shí)；同時(shí)也為新型光場(chǎng)多維度調(diào)控物理及應(yīng)用，尤其是在光自旋和軌道角動(dòng)量運(yùn)用等方面，帶來新的有益啟示。
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