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LNOI芯片Weyl点拓扑物理

       2021年7月1日,《物理评论快报》(Physical Review Letters)刊登了肖孟教授在LNOI芯片Weyl点拓扑物理方面的最新成果,论文题为“Probing Rotated Weyl Physics on Nonlinear Lithium Niobate-on-Insulator Chips”,由南京大学刘辉教授和祝世宁教授课题组与武汉大学肖孟教授合作完成

    基于拓扑光子态特有的单向传输以及缺陷免疫的性质,拓扑光子学为集成光学芯片提供了优异的设计思路,诸多方案已在绝缘体上硅薄膜 (SOI) 芯片上实现。绝缘体上铌酸锂薄膜 (LNOI) 作为一种全新的集成光学材料,相较于SOI有着更好的电光、二阶非线性、宽透明窗口的性质。基于LNOI,人们实现了多种优秀性能的集成光学器件,包括电光调制器、各种非线性光学器件、光学频率梳等。然而,很少有在铌酸锂薄膜上研究拓扑光子学的工作。

   研究者在LNOI芯片上设计了一维的四组元波导阵列,通过引入两个结构参数作为人工维度,再结合一维布洛赫动量维度,构造出了三维合成空间中的 Weyl 点。与传统凝聚态电子材料、光子晶体、超材料等在单个体块中实现的Weyl点不同,研究者基于该体系首次构造出了两个独立的Weyl点拼在一起的界面,这在传统的三维Weyl半金属中由于晶格失配是难以实现的。而借助于合成参数,在合成空间中,界面两侧Weyl点的相对角度能够灵活地调控。研究者发现,当两个Weyl点的手性相反(相同)时,它们拼成的界面能(不能)支持无间隙的界面态。基于LNOI芯片,研究者在实验上观测到了两个Weyl点拼成的界面处的拓扑界面态。同时,由于铌酸锂材料的二阶非线性,他们也在实验上观测到了拓扑界面态的二阶非线性增强。

   该工作为在LNOI芯片上研究线性/非线性拓扑光学、实现拓扑鲁棒性的传输提供了新的思路,在集成非线性和量子光学领域有着潜在应用。

  (a) 一维四组元波导阵列单个原胞的截面图示。p、q为引入的结构参数,分别控制 A(A’)  B(B’) 波导的宽度; (b) 将两个独立的参数空间中的Weyl点拼在一起。围绕这两个Weyl点引入相同大小的路径(红色椭圆);(c) 下图:在(φ1,φ2)参数空间数值计算得到的界面态(红色和青色曲面),灰色区域表示体带。上图:将下图投影到(φ1,φ2)平面,沿黑色虚线表示的路径会产生非平庸的结果,而沿白色虚线则会导致平庸的结果;(d) 上图:非平庸实例(φ2=-φ1-0.1π),带隙中存在两种无间隙的拓扑界面态。下图:平庸实例(φ2=φ1+0.9π),带隙中不存在连接上下体带的无间隙界面态。

全文链接:https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.127.013901

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