撰稿|由课题组供稿
近日，香港中文大学（深圳）解碧野课题组与南京大学卢明辉课题组和詹鹏课题组合作，提出了一种全新种类的光子晶体——受限Mie共振光子晶体。该类型光子晶体在二维与三维具有与紧束缚模型完全相同的能带结构，并且具有高轨道能带退纠缠的特性。相关工作以“Disentangled higher-orbital bands and chiral symmetric topology in confined Mie resonance photonic crystals”为题发表于期刊《Laser & Photonics Reviews》上。香港中文大学（深圳）理工学院博士生李靖为论文的第一作者。通讯作者为香港中文大学（深圳）解碧野助理教授、南京大学詹鹏教授以及南京大学卢明辉教授。
论文链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/lpor.202300543
自1987年光子晶体概念首次提出以来，由于其独特的光学性质和广泛的应用潜力，受到了广泛研究。特别是在类比于紧束缚模型的光子晶体领域，已经成功发现了众多有趣的拓扑现象。然而，光子晶体研究仍然存在一些待解决的问题。首先，由于在低频处存在线性色散，光子晶体能带缺乏手性对称性。其次，高频带的无序性限制了光子晶体高轨道研究的深入。此外，三维光子晶体与三维紧束缚模型存在本质差异，使得三维光子晶体能带无法简单对应紧束缚模型，并且打开其完整的全带隙变得困难。解决这些问题仍然具有挑战性。
为了解决上述问题，研究团队提出了一种全新种类的光子晶体设计方案——受限Mie共振光子晶体（CMR-PC），其通过在光子晶体介质柱之间嵌入完美电导体从而实现能带的手征对称（Chiral symmetry），并能与紧束缚模型能带完美匹配（图1）。
图1. a, b, c具有C3、C4、C6对称的CMR-PC结构。b, e, f CMR-PC能带（红色圆圈）表现出与紧束缚能带（黑线）特征的高度重合以及最低频（黑色星型）所对应的场分布示意图。g, h, i 全介质光子晶体能带由于低频处线性色散而缺乏手性对称，且场分布在最低频（橙色圆圈）附近处显示出平面波特征。
此外，研究团队发现CMR-PC结构在高频带处能带显示出退纠缠的特性，并且观察到有干净的简并点存在。此外，通过观察CMR-PC的场分布发现介质柱内部体现出p, d, f等高轨道自由度，这使得CMR-PC具有可以通过原子轨道线性组合（LCAO）实现各种奇异的紧束缚模型的可能（图2）。
图2.a, b 具有C6对称的全介质光子晶体高频能带以及一些高轨道能带的放大图。c CMR-PC的高频能带示意图，其中红色区域表示为处于最高频率的带隙。 d 各轨道能带放大图显示出退纠缠的特性并具有干净的简并点。 e 红色星型所对应的CMR-PC场分布，介质柱中表现出各种轨道自由度。
同时，研究团队在二维CMR-PC的基础上通过在z方向金属板打孔的方式设计了三维CMR-PC。神奇的是，三维CMR-PC具有与三维紧束缚模型完美对应的能带结构。同时，通过改变金属柱的大小与空气孔高度可以轻易实现具有三维全带隙的拓扑结构（图3），研究团队据此设计了有限大小结构从而得到了三维的高阶拓扑光子晶体（图4）。
图3.a, b 三维CMR-PC结构示意图以及所对应的光子晶体能带（红色圆圈），该能带结构与三维紧束缚模型能带（黑线）高度重合。 c, d 三维全介质光子晶体及其能带结构。 e, f 具有三维全带隙的拓扑CMR-PC结构及其对应能带。
图4.a 基于三维拓扑CMR-PC设计的三维有限大小结构示意图。b, c, d, e分别观察到场局域于体, 表面，棱以及角上，从而形成体态，表面态，铰链态与角态。
研究团队所提出的CMR-PC结构将为研究光子晶体手征对称的能带结构与高轨道能带模型提供一种新的研究平台，由于CMR-PC拥有与紧束缚模型相同特征的能带，从而可在二维与三维光子晶体中得到各种各样的拓扑相。除此之外，CMR-PC也可通过高轨道之间的耦合来实现更多奇异的紧束缚模型。另一方面，研究团队期待在三维CMR-PC中引入旋磁材料从而实现三维时间反演破缺拓扑态。
论文第一作者为香港中文大学（深圳）博士生李靖，论文通讯作者为南京大学詹鹏、卢明辉教授和香港中文大学（深圳）解碧野助理教授。上海大学王洪飞副教授，南京大学贾诗音博士生，南京大学王振林教授和陈延峰教授对本项目提供了重要的讨论和指导。
论文链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/lpor.202300543
