苏州大学罗杰副研究员、国防科技大学刘伟教授、苏州城市学院高雷教授合作，首次在光子晶体中发现由电磁对偶对称性保护的类狄拉克锥（Dirac-Like Cones）。与偶然形成的类狄拉克锥不同，该研究发现的类狄拉克锥具有优异的鲁棒性，并能在同一结构中实现多重类狄拉克锥。该研究揭示了电磁对偶对称性在光子晶体中对能带简并的保护作用，突破了偶然简并类狄拉克锥的固有脆弱性。这项工作不仅建立了电磁对偶对称性与狄拉克物理之间的深刻联系，更为光子晶体能带调控引入了全新的自由度。
相关研究成果以“Electromagnetic Duality Symmetry-Protected Dirac-Like Cones”为题，在线发表于《ACS Photonics》。苏州大学罗杰副研究员、国防科技大学刘伟教授、苏州城市学院高雷教授为通讯作者；苏州大学23级本科生杨慕轩为第一作者。该工作也得到了苏州大学徐亚东教授、杭志宏教授，南京大学赖耘教授等的大力帮助。
类狄拉克锥是光子晶体中由线性能带与平带交叉形成的一种特殊色散结构，在零折射率材料等应用中具有重要价值。传统方法通过偶然简并构造的类狄拉克锥对结构参数极为敏感，缺乏鲁棒性。针对这一关键科学问题，本研究创新性地提出利用电磁对偶对称性保护类狄拉克锥的方案。通过对称性分析，分别基于自对偶颗粒、非自对偶颗粒簇，设计出了具有鲁棒性的类狄拉克锥的光子晶体。结果表明：电磁对偶对称性会诱导光子晶体能带的二重简并，通过进一步优化结构对称性（旋转对称性、滑移对称性）可构建对称性保护的抗微扰的类狄拉克锥。
本研究首次将电磁对偶对称性引入光子晶体设计，发现了受电磁对偶对称保护的类狄拉克锥，并验证其优异鲁棒性。相比传统偶然简并方案，这种新型类狄拉克锥展现出显著优势。特别地，研究首次发现在同一晶格常数下可存在多个对称性保护的类狄拉克锥。本研究建立了电磁对偶对称性与狄拉克物理之间的内在联系，为设计具有特定色散特性的光子晶体开辟了新途径。
图1.（a）传统偶然简并形成的类狄拉克锥：需精确调控结构参数；（b）电磁对偶对称性保护的类狄拉克锥：具有本征鲁棒性。
图2. 自对偶颗粒构成的光子晶体中的二重简并能带及对应电磁模式分布。
图3. 与传统的偶然简并型类狄拉克锥不同，基于自对偶颗粒的光子晶体通过电磁对偶对称性保护的类狄拉克锥展现出显著优势：具有本征鲁棒性、支持多重简并。
图4. 非自对偶颗粒簇构成的光子晶体中的二重简并能带及对应电磁模式分布。
图5. 非自对偶颗粒簇构成的光子晶体中的电磁对偶—滑移对称性保护的类狄拉克锥。
该研究首次将电磁对偶对称性引入光子晶体体系，为能带调控提供了全新自由度，首次发现了具有本征鲁棒性的对称性保护类狄拉克锥。与依赖参数精细调控的传统偶然简并类狄拉克锥（通常孤立存在）不同，这类新型简并点受电磁对偶对称性严格保护，具有内在稳定性，并可在单一光子晶体中实现多重简并。
这一成果提供了光子晶体能带调控新方法，对相关领域研究具有重要启示意义。虽然本研究聚焦于类狄拉克锥，但其揭示的“电磁对偶—结构对称性”协同作用机制，为拓扑光子学、非厄米光学等前沿领域提供了普适性设计原理。
论文链接：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsphotonics.5c00727
