[發明專利]一種非厄米調制下二維光子晶體的拓撲態結構

有效

• 申請號: 202011144991.2
• 申請日: 2020-10-23
• 公開（公告）號: CN112285822B
• 公開（公告）日: 2022-06-17
• 發明（設計）人: 朱宇光
• 申請（專利權）人: 常州工業職業技術學院;常州宇宏電氣有限公司
• 主分類號: G02B6/02
• 分類號: G02B6/02;G02B27/00
• 代理公司: 南京正聯知識產權代理有限公司 32243
• 代理人: 顧伯興

本發明所述的一種非厄米調制下二維光子晶體的拓撲態結構，包括由多層晶胞排列組成的拓撲非平庸層、缺陷層和拓撲平庸層，依次按照拓撲非平庸層、缺陷層、拓撲平庸層、缺陷層、拓撲非平庸層的順序排列構成。本發明所述的有益效果為：設計具有PT對稱構型的二維光子晶體，通過增益系數的改變，實現拓撲相變；構建了由拓撲非平庸結構和拓撲平庸結構形成的邊界態，該邊界態具有拓撲相和非厄米調制的雙重特征；通過源位置的選擇，可以讓拓撲相調制和非厄米調制分別發揮作用，兩者均可以激發單向傳輸。

技術領域

本發明涉及光子晶體技術領域，具體是涉及一種非厄米調制下二維光子晶體的拓撲態結構。

背景技術

近代物理學量子理論的發展以拓撲絕緣體和非厄米量子力學理論為突出表現。拓撲絕緣體建立在量子霍爾效應和量子自旋霍爾效應等一系列霍爾效應的基礎上，成功地把數學中抽象的拓撲概念引入到描述結構量子化的電導率中。拓撲絕緣體基本特征是體絕緣，表面導電，更重要的是其單向導電且具有克服背向散射的功能，這有望解決未來芯片熱效應問題。量子霍爾效應建立在時間反演對稱破缺的基礎上，拓撲量由整數第一陳數來描述，一般通過外加磁場來實現。量子自旋霍爾效應建立在時間反演對稱的基礎上，此時第一陳數為0，需要用新的拓撲量子數Z₂拓撲數或自旋陳數來描述。相對來說，由于不需要外加磁場，量子自旋霍爾效應更具有獨特的應用價值；但所有電子體系的拓撲絕緣體在實驗實現上都非常困難，例如量子霍爾效應需要在低溫和強磁場中才能實現，給實際應用帶來不便。量子自旋霍爾效應建立在電子自旋和軌道角動量的耦合從而產生能帶反轉的基礎上，直到2007年才在HgTe量子阱實驗體系中實現出來。

非厄米量子力學建立在非厄米哈密頓量的基礎上，特別地，建立在parity-time(PT)對稱基礎上的量子理論得到新的發展。無論是拓撲絕緣體還是非厄米量子力學都是以電子體系為研究對象。在物理學發展過程中，類比研究發揮了極大的作用，是物理學中經常采用的方法。光子晶體是半導體量子理論在經典波領域的類比。光子晶體具有更易制備的平臺、更易于調控的能帶結構。人工周期的能帶結構同樣能夠實現電子能帶的拓撲性質。因此，伴隨拓撲絕緣體的理論，拓撲光子學的理論也得到很快的發展。除了揭示和驗證拓撲絕緣體的相關理論，拓撲光子學在光通信領域也發揮獨特的作用。同樣，PT對稱理論也被引入到光子學研究當中，PT對稱結構的光子晶體也展現出各種新的物理現象。PT對稱光學結構要求增益和損耗介質折射率滿足特定的空間分布，即介電常數的實部和虛部分別為偶函數和奇函數。PT對稱光學結構突出特征是有源結構，可以通過外部泵浦源對結構進行調制。

量子自旋霍爾效應基于成對出現的受到時間反演對稱性保護的魯棒拓撲邊界態，其關鍵是實現邊界態在能隙中的簡并，即Kramers簡并。電子作為費米子，具有成對的“自旋”這個內稟屬性，其時間反演對稱性正好滿足這一簡并條件。光作為玻色系統,其時間反演對稱性與作為費米子的電子有本質的不同，是無法直接構造Kramers簡并的。于是研究者構造各種光學贗自旋態來類比電子的自旋對。Khanikaev通過雙各向異性介質構造六角晶格,并采用在高對稱點附近TE+TM和TE-TM線偏振作為贗自旋態；南京大學盧明輝、陳延峰研究小組在理論上提出了一種基于壓電/壓磁超晶格構成的光拓撲絕緣體模型。作者采用四方晶格，以旋光LCP/RCP構造贗自旋對。構造量子自旋霍爾效應的關鍵在于贗時間反演對稱性。2015年,日本NIMS研究人員Hu等通過復式六方晶格中的C_6v對稱性在各向同性介質材料中構造出光量子自旋霍爾態，其贗時間反演對稱性來自晶格的對稱性。他們利用能帶的折疊，將本來處于布里淵區頂點的Dirac簡并折疊至布里淵區中心,從而形成雙重Dirac點。通過拉伸和壓縮晶格實現了p軌道和d軌道的能帶反轉。在簡并破缺后的體能帶能隙中，觀測到贗自旋的魯棒自旋邊界態。該設計的優點是利用純介質光子晶體構造光拓撲絕緣體,之后研究者紛紛在此基礎上展開研究，雖然模型千變萬化，但不離開2個要素：其一，要有2個雙重簡并點，分別對應贗自旋的p軌道和d軌道；其二，實現p軌道和d軌道的反轉，目前多是通過晶胞的縮放變形來實現。但這種設計的局限性在于，結構的設計是靜態的，缺少外部調制的手段。那么，需要尋找新的機制獲得光量子自旋霍爾態，實現光子晶體能帶的反轉。

發明內容