狄拉克节线型半金属中的“双碗”表面态

  2021年8月，南京大学的刘辉教授团队和武汉大学的肖孟教授合作的最新成果，以"Double-bowl state in photonic Dirac nodal line semimetal"为题在线发表在Light: Science & Applications上。论文第一作者是南京大学博士生胡梦莹，通讯作者是武汉大学肖孟教授和南京大学刘辉教授。

  在光学领域，由于光子不同于电子的特性，光学拓扑半金属具有独特的体能带以及表面态表现。近年来，光学拓扑半金属领域的蓬勃发展给人们操控光予以全新的思路和手段，但在之前的研究工作中，光子体系中的狄拉克节线型半金属还没有被实现。此项工作利用光子晶体的对称性和光子的偏振，实现了严格的光学狄拉克节线型半金属，并基于该结构得到了TE和TM偏振下的拓扑表面态，它们是宽带近简并的。因两组表面态色散似碗形，故称之为“双碗”表面态。

  研究人员设计了一个双层AB型一维介质光子晶体（图1a），通过研究其TE和TM两种偏振的能带，得到了能带简并条件，并证明了该系统中存在四重简并的狄拉克节线型色散；又由于系统中固有的面内旋转对称性，能带简并是环形的。在狄拉克节线型半金属基础上，选取恰当的位置截断并在其上镀一层金属，此时复合系统界面可激发出TE和TM偏振的表面态。它们色散似碗，且是宽带简并的：在“碗”中心和“碗”边缘是完全简并的，在整个测量光谱范围内也近乎简并。图3a和3b展示了两种偏振对应的“碗状”表面态，其中三种颜色的“碗”对应三种几何和材料参数的半金属。这种宽带简并的“双碗”表面态，是由环形能带简并和光子晶体本身的对称性所保证的。通过样品的角度分辨反射谱，证明了“双碗”表面态的存在。

图1 a: 光子晶体结构示意图；b: 四重简并的狄拉克节线环（金色环）附近的面内色散示意图；c和d:  TE（蓝色）和TM（红色）偏振下kx和ky方向下的色散

图2 光子狄拉克节点线半金属的实验观测

图3 a和b: TE和TM偏振宽带简并的“双碗”表面态；；c-f:  两种偏振下光子晶体/银膜样品的角分辨反射测量和模拟结果

  该项工作基于光学狄拉克节线型半金属得到了全新的拓扑表面态。由于两组偏振下的“双碗”表面态在很宽的光谱范围内几乎简并，可以更加灵活地研究光子和物质相互作用，以及表面强局域场的调控。

全文链接：

https://doi.org/10.1038/s41377-021-00614-6

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