陈鸿课题组在拓扑光子学领域的研究取得重要进展

xiandao

11月2日，物理科学与工程学院先进微结构材料教育部重点实验室陈鸿教授课题组在国际重要学术期刊《Nature Communications》在线发表了关于拓扑光子学研究的最新成果《Topological LC-circuits based on microstrips and observation of electromagnetic modes with orbital angular momentum》，对拓扑保护光子晶体单方向边缘态的轨道角动量进行了直接实验观察和测量。物理学院李远博士研究生、孙勇副教授分别为论文第一、第二作者，陈鸿教授和日本国家物质材料研究机构胡晓教授为共同通讯作者。
       受凝聚态领域蓬勃发展的拓扑物理学的启发，光子拓扑绝缘体和光子拓扑边缘态（无背散射界面电磁传播模式），是过去十年来光子人工微结构领域的研究焦点之一。光子拓扑边缘态可以是基于时间反演对称破缺的单方向边缘态，还可以是时间反演对称光子系统中具有相反赝自旋的一对反向传播的单方向边缘态。时间反演对称的光子系统虽然牺牲了部分的绝对鲁棒性，但因为不需要外加磁场，与基于半导体工艺的电子和光学器件兼容，因此引起了越来越多的关注。2015年，胡晓教授理论上指出，具有C6v对称的时间反演对称拓扑光子晶体中存在类似电子p轨道和d轨道的电磁模式。这些电磁模式的轨道角动量，一方面在光子拓扑边缘态的形成机制中起着关键作用。另一方面，他们为拓扑态的调控提供了全新手段，对未来光子拓扑边缘态的应用具有重要意义。
       在本工作中，我们对平面性光子晶体光子拓扑边缘态的轨道角动量进行了直接实验观察和测量。首先，通过对LC拓扑电路模型的理论分析，我们在二维微带传输线平台基础上实现了微波频段的蜂窝状光子晶体的拓扑转变和拓扑边缘态。由于微带线结构的平面、开放特性，我们可以方便地利用近场技术对界面附近的电场强度和相位进行精确测量，从而对拓扑边缘态的轨道角动量进行观测。基于实验结果，我们确定了边缘态的p轨道模式和d轨道模式的权重及其对频率的依赖性，揭示了传播方向锁定的轨道角动量。在应用方面，该工作可应用于开发可发射具有轨道角动量辐射的新型天线。
       陈鸿教授课题组长期从事基于人工微结构的光调控实验与理论研究，相关研究成果曾获2017年上海市自然科学一等奖。2018年以来，课题组已在Phys. Rev. Lett., PNAS，Nat. Comm.等顶级期刊发表多篇研究论文。该项工作得到国家重大科学研究计划（2016YFA0301101）、国家自然科学基金、上海市科委项目的支持。

蜂窝状平面光子晶体拓扑边缘态的赝自旋和p-d轨道杂化

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-018-07084-2