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非厄米雙層光子晶體體系中的奇異同心環(huán)
【導(dǎo)讀】
近日，南京大學(xué)盧明輝教授課題組報(bào)道了非厄米雙層光子晶體體系中的奇異同心環(huán)結(jié)構(gòu)，在堆疊二維光子材料中理論分析了由非厄米引入導(dǎo)致的奇異點(diǎn)不同拓?fù)錁?gòu)型的演變，并在硅材料體系的模擬實(shí)驗(yàn)中得到證實(shí)。相關(guān)成果以“Exceptional concentric rings in a non-Hermitian bilayer photonic system”為題發(fā)表在Physical Reivew B 上。
圖1 (a)非厄米緊束縛模型；(b-c) EPs環(huán)構(gòu)型；(d-e)EPs同心環(huán)構(gòu)型；(f-g)EPs環(huán)與同心環(huán)共存。
【研究背景】
奇異點(diǎn)（EPs）是非厄米體系與厄米體系相比極為標(biāo)志性的不同，對應(yīng)于兩個(gè)或多個(gè)本征值塌縮成一個(gè)本征值或本征矢的點(diǎn)。奇異點(diǎn)在光子學(xué)中具有大量新奇的效應(yīng)與應(yīng)用，如單向反射與透射、空間時(shí)間（PT）對稱性破缺的激光器、缺陷免疫的傳輸?shù)取Ａ硪环矫妫珼irac點(diǎn)在光子晶體中對應(yīng)許多有趣的物理現(xiàn)象，如零折射率、光子拓?fù)浣^緣體等。當(dāng)Dirac光子晶體中引入增益損耗時(shí)，原有的Dirac點(diǎn)發(fā)生整形形成EPs環(huán)，在實(shí)空間形成圓盤的平帶區(qū)域，對光的群速度調(diào)控具有重要價(jià)值。
當(dāng)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(dǎo)的實(shí)現(xiàn)提供了思路。同樣的，光子晶體的堆疊也構(gòu)造了新的物理系統(tǒng)（堆疊二維光子材料），其中的非厄米的引入涉及到多EP點(diǎn)的協(xié)調(diào)組合，為平帶調(diào)控以及由其引申的群速度的調(diào)控具有重大意義，但詳細(xì)機(jī)制仍然不為人所知。
圖2 (a)硅材料為基礎(chǔ)的雙層光子晶體；(b-c)模擬實(shí)驗(yàn)得到的EPs同心環(huán)結(jié)構(gòu)；(d-f)具有增益與損耗的表面弧。
【創(chuàng)新研究】
針對上述問題，本項(xiàng)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(diǎn)組合的影響，發(fā)現(xiàn)了EP環(huán)與EP同心環(huán)的演變規(guī)律。之后，通過構(gòu)造基于復(fù)雜EP系統(tǒng)的拓?fù)洳蛔兞浚瑢P環(huán)與EP同心環(huán)進(jìn)行定性描述，并在以硅材料為基礎(chǔ)的雙層光子晶體中通過模擬實(shí)驗(yàn)觀察到了EP同心環(huán)以及具有增益與損耗的邊界態(tài)表面弧。該研究揭示了堆疊二維光子材料中的非厄米效應(yīng)，并模擬觀測到了EP同心環(huán)的群速度調(diào)節(jié)新平臺，以及具有增益損耗的表面弧行為，極大促進(jìn)了人們對堆疊材料中非厄米效應(yīng)的認(rèn)識與應(yīng)用。
相關(guān)研究得到國家自然科學(xué)基金，國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃，國家杰出青年基金項(xiàng)目的支持。
原文引自“兩江科技評論”微信公眾號。
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