中大新聞網(wǎng)訊（通訊員陳文杰）中山大學(xué)物理學(xué)院、光電材料與技術(shù)國家重點實驗室董建文教授研究團(tuán)隊成功在時間反演不變的光子晶體系統(tǒng)中觀測到了拓?fù)浔Ｗo(hù)的反手性表面態(tài)。該工作以“Antichiral surface states in time-reversal-invariant photonic semietals”為題，于2023年4月11日發(fā)表在國際高水平期刊Nature Communications上。
由于其抗背向散射、急彎散射及缺陷免疫等獨特的傳輸特性，拓?fù)洳牧现械氖中赃吘墤B(tài)在凝聚態(tài)物理學(xué)、光學(xué)、聲學(xué)等領(lǐng)域均受到了廣泛關(guān)注與研究。隨著拓?fù)涔庾訉W(xué)與集成光子學(xué)的融合，大量基于手性邊緣態(tài)的無散射損耗光子器件被設(shè)計出來。近年來，一種有別于傳統(tǒng)手性邊緣態(tài)的新型拓?fù)涔鈧鬏斈Ｊ健词中赃吘墤B(tài)被提出，并在磁光光子晶體中被觀測。然而，反手性邊緣態(tài)的實現(xiàn)通常需要打破系統(tǒng)時間反演對稱性，磁光材料的使用難以推廣至可見光波段。因此，在時間反演不變系統(tǒng)中實現(xiàn)反手性邊緣態(tài)將有助于將反手性傳輸現(xiàn)象推廣至微納光學(xué)系統(tǒng)，為集成光子系統(tǒng)中的光場調(diào)控提供新方案。
針對以上問題，研究團(tuán)隊巧妙地利用縱向?qū)娱g耦合等效實現(xiàn)二維系統(tǒng)中的非互易次近鄰層內(nèi)耦合（等效為在二維系統(tǒng)中引入規(guī)范磁場）。為了在實驗上觀測到反手性光傳輸現(xiàn)象，研究團(tuán)隊設(shè)計出引入規(guī)范磁場所需要的光學(xué)結(jié)構(gòu)并通過將印刷電路板堆疊的方式制備了實驗樣品（圖1(a)-(c)）。利用微波近場掃描技術(shù)并結(jié)合傅里葉分析手段，研究團(tuán)隊成功測量到了反手性傳輸光模式的光色散曲線（圖1(d)-(f)）與光傳輸單向度譜線。由于系統(tǒng)規(guī)范磁場可通過光場動量kz控制，團(tuán)隊成功觀測到了該時間反演對稱系統(tǒng)特有的動量依賴反手性光傳輸現(xiàn)象，即通過控制動量kz的大小調(diào)控反手性傳輸光模式的傳輸方向。除此以外，通過引入邊界缺陷、轉(zhuǎn)彎結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)反手性表面態(tài)光場遇到表面缺陷時，光場可以很好的繞過缺陷繼續(xù)傳播而不產(chǎn)生背向散射。由此，團(tuán)隊證明了該反手性光傳輸模式具有單向、抗散射的魯棒傳輸性質(zhì)（圖1(g, h)）。該工作首次在時間反演對稱系統(tǒng)中實現(xiàn)反手性表面態(tài)，將有望于將反手性傳輸特性引入集成光子學(xué)體系，豐富集成光子芯片的設(shè)計自由度。
圖1. 光子晶體原胞結(jié)構(gòu)(a)及俯視圖(b)；(c)實驗樣品照片；(d-f)上、下表面反手性表面態(tài)色散曲線；(g-h)反手性模式的光魯棒傳輸。
該工作由中山大學(xué)獨立完成（唯一署名單位），劉儉偉博士為第一作者，陳文杰教授和董建文教授為共同通訊作者，陳曉東副教授和陳科副教授對該工作有重要貢獻(xiàn)。上述工作獲得國家自然科學(xué)基金重點項目、廣東省自然科學(xué)基金卓越青年團(tuán)隊項目等項目的支持，同時也得到了物理學(xué)院與光電材料與技術(shù)國家重點實驗室的大力支持。
論文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-023-37670-y
