撰稿|由课题组供稿
近日，南京大学物理学院刘辉教授和祝世宁教授课题组与武汉大学物理科学与技术学院肖孟教授合作，在基于铌酸锂光学芯片的拓扑光子学上取得重要进展，首次实现了在合成参数空间里对外尔晶体的任意旋转，并且观测到了在两个相互旋转的外尔晶体之间的拓扑界面态，相关研究成果以“Probing rotated Weyl physics on nonlinear lithium niobate-on-insulator chips”为题于2021年7月1日发表在物理学旗舰刊物Physical Review Letters1上。南京大学博士生严志伟和南洋理工大学的博士后王强是文章的共同第一作者，刘辉教授和肖孟教授为共同通讯作者。该项工作得到国家重大科学研究计划和国家自然科学基金的资助，以及南京大学固体微结构物理国家重点实验室与微结构科学与技术协同创新中心的支持。
自量子霍尔效应发现以来，拓扑材料，如拓扑绝缘体、拓扑半金属等，如雨后春笋般在各种物理系统中得以实现。外尔（Weyl）半金属是一种带有外尔点的拓扑半金属，近年来引起学者越来越多的关注。外尔点是三维空间带拓扑核的能带简并点，表现为带有特定贝利（Berry）通量的“磁单极子”，因而也可以以此定义外尔点的手性，即贝利通量的正负。在外尔半金属的界面，将出现费米弧型的拓扑界面态连接不同手性的外尔点。类比于电子体系的外尔半金属，人们也构造出经典波体系中的外尔半金属。近年来, 旋转石墨烯新材料吸引了研究者的广泛兴趣, 人们发现了魔角石墨烯和石墨烯超导体等. 虽然外尔物理已经被广泛地探索，但大多数的研究都聚焦于单个外尔半金属的费米弧型表面态上，目前关于两个相互旋转的外尔半金属之间界面的物理却很少被讨论，这其中一个很重要的原因是很难构造干净的界面。在实验上，构造该类界面需要满足严格的晶格匹配，因此无论是在电子材料，还是光子晶体、超材料这些体系中，都很难实现。
研究团队在铌酸锂薄膜（LNOI）芯片上设计了四组元波导阵列【图1（a）】，通过引入两个合成维度：结构参数p和q，再结合布洛赫波矢Kx，在该三维合成参数空间构造了外尔点【图1（b）WP1】。得益于合成维度的引入，研究者能够对该外尔点进行多维度任意操控，例如旋转。需要指出的是，在三维实空间中旋转一个外尔半金属不会改变其外尔点的手性，而在合成参数空间中的翻转操作却可能改变其外尔点的手性。引入合成维度的另一个优势则是可以拼接任意两个不同的外尔半金属，这对于传统的外尔半金属来说几乎不能实现。对于拼接后的复合结构，会出现两种类型的界面态【图1（c）】。研究发现，这个界面能否支持无间隙的拓扑界面态，取决于这两个外尔晶体的相对旋转方向。如果它们沿着相反的方向旋转，那么能够产生两种无间隙的拓扑界面态【图1（d）上面板】；反之，如果它们的旋转方向相同，则只会出现平庸的界面态【图1（d）下面板】。
在实验中，研究团队在LNOI芯片上利用聚焦离子束加工出了复合的四组元波导阵列【图2（a）】。对于两个支持界面态的样品【图2（c，d）和图2（e，f）】，光场传播过程中在界面附近有着良好的局域性；而对于不存在界面态的情况【图2（g，h）】，光场在传播过程中会逐步向两边扩散。研究团队也利用LNOI的二次谐波产生（SHG）这种非线性光学的手段观测到了拓扑界面态。该研究不仅首次在实验上探索了两个相互旋转外尔晶体界面上的物理，而且为在LNOI芯片上研究拓扑光子学提供了思路，有望在集成非线性和量子光学得到应用。
除了该工作外，研究团队在合成维度拓扑物理方向有着丰富的研究经历。2017年，王强博士、肖孟教授、刘辉教授和香港科技大学陈子亭教授考虑一个一维的光子晶体，引入两个结构参数调控原胞内平板的厚度，在三维合成空间中构造了外尔点并实验验证了外尔点所带来的合成参数空间的光学涡旋2。2020年，研究团队在17年工作的基础上，将一维 PT 对称光子晶体的非厄米性当作一个合成参数，研究了四维非厄米合成空间中的拓扑物理，在合成空间实现了三维的奇异超曲面，发现了奇异超曲面上的两类奇异简并点，在其中一类简并点附近,，可以产生高 Q值的窄带反射峰，在光学传感上有潜在应用3。2020 年，课题组通过调控一维非厄米超构晶体单元的顶层厚度这一结构参数，在由结构参数和布洛赫波矢构成的二维合成参数空间中，发现了连续体中的束缚态和非厄米的费米弧，此系统能够方便地调控热辐射4。2020 年，团队在一维光学拓扑界面态的超晶格结构中引入两个结构参数，其中一个参数用来调整界面层介质的厚度以调节在位能，另一个参数控制相邻界面态之间的光子晶体周期数以调节耦合系数（包括强度和符号）。这两个结构参数，结合原本的一维布洛赫波矢形成了三维合成参数空间。基于此系统，考虑光子的横电和横磁两种偏振模式，首次成功构造了可见光频域的charge-2 狄拉克点，改变入射角后还能使该charge-2 狄拉克点在合成空间分裂成两个外尔点, 并实现了对其所引起的拓扑表面态的灵活调控5。
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参考文献
1. Zhi-Wei Yan, Qiang Wang, Meng Xiao, Yu-Le Zhao, Shi-Ning Zhu, and Hui Liu, “Probing Rotated Weyl Physics on Nonlinear Lithium Niobate-on-Insulator Chips”, Phys. Rev. Lett. 127, 013901 (2021).
2. Qiang Wang, Meng Xiao, Hui Liu, Shining Zhu, and C. T. Chan, “Optical interface states protected by synthetic Weyl points”, Phys. Rev. X. 7, 031032 (2017).
3. Qiang Wang, Kun Ding, Hui Liu, Shining Zhu, and C. T. Chan, "Exceptional cones in 4D parameter space," Opt. Express 28, 1758-1770 (2020).
4. Fan Zhong, Kun Ding, Ye Zhang, Shining Zhu, C.T. Chan, and Hui Liu, “Angle-Resolved Thermal Emission Spectroscopy Characterization of Non-Hermitian Metacrystals”, Phys. Rev. Applied. 13, 014071 (2020).
5. Mengying Hu, Kun Ding, Tong Qiao, Xi Jiang, Qiang Wang, Shining Zhu, and Hui Liu, “Realization of photonic charge-2 Dirac point by engineering super-modes in topological superlattices”, Commun Phys 3, 130 (2020).
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