撰稿|由课题组供稿
近期，同济大学物理学院陈鸿教授课题组与日本国家物质材料研究所(NIMS)胡晓教授课题组开展合作，提出手性光源在具有狄拉克型色散的拓扑光子结构中会产生一种全新的惠更斯-菲涅耳现象，并基于传输线构造的蜂窝型光子晶体观测到相关的全局能流涡旋，提供了一种通过体态直接确定结构拓扑性的有效手段。相关研究成果以“Unique Huygens-Fresnel electromagnetic transportation of chiral Dirac wavelet in topological photonic crystal”为题，发表在国际权威学术期刊《自然通讯》[Nat. Commun. 14, 3040 (2023)]期刊上。日本NIMS王星翔研究员和同济大学物理学院郭志伟助理教授为共同第一作者，同济大学陈鸿教授、日本NIMS胡晓教授为共同通讯作者。另外，同济大学宋娟硕士、江海涛教授也对文章做出了重要贡献。
近年来，受拓扑绝缘体启发而兴起的拓扑光子学有力地促进了电磁波调控和新型波功能器件的研究。光子人工带隙材料因其丰富的物态调控机制和高度定制化的设计自由度成为了研究拓扑光子学和研制鲁棒性光子器件的重要平台。众所周知，拓扑结构具有内禀的拓扑不变量，而“体—边”对应关系确定的拓扑边界态作为一个直观但间接的判据受到了广泛的关注。然而，由于人们对拓扑结构中体态的认识不够充分，目前拓扑特性对结构内部的传输调控尚不清楚。
对称性是物理学中最深刻的概念之一，通常光涡旋与时间反演对称和镜像对称的破缺有关。本项研究工作在保持这两种基本对称性的蜂窝光子晶体结构中，研究了由手性光源诱导的涡旋光干涉现象。论文从理论和实验上对比研究了具有不同拓扑特性的光子晶体结构中体态的传输特性：对于有效质量为正（负）的拓扑平庸（非平庸）结构而言，全局诱导的能流涡旋与结构局部能流涡旋相同（相反），这一研究结果打破了过去人们依靠“体—边”对应关系来间接确定结构拓扑性的常规思维，也为将来集成光学与拓扑光子学器件的研制提供了新机理。
图1. 手性源惠更斯-菲涅尔原理：手性源在连续介质、拓扑平庸结构以及拓扑非平庸结构中的响应。
根据惠更斯-菲涅耳原理，光的传播可以理解为：波前上的各点作为次级小波源相互干扰，形成下一个波前。在连续介质（图1a）和拓扑平庸结构（图1b）中，手性源拥有类似的传播特性，波前会诱导出与源手性相同的全局电磁能流涡流。然而在拓扑非平庸晶体（图1c）中，单个次级小波源产生出不同模式发生干涉，导致波前内侧的能流异常增强，整体表现为与源手性相反的全局电磁能流涡流。
图2. 不同狄拉克质量M的系统中单个次级小波源中不同模式的干涉情况。
以具有狄拉克型线性色散的蜂窝型光子晶体为例，这种手性诱导的惠更斯-菲涅耳原理可以通过源-波前的全局极坐标R=(R, Φ)以及波前-次级波前的局域极坐标r=(r, θ)定量描述（图2a）。在一个元胞内（固定的R和r），手性源会同时激发出与之手性相同的两个模式
分别对应本征轨道角动量
（图2b），两者之间的干涉仅受到狄拉克质量M，方位角Φ以及极角θ的影响。对于狄拉克质量M>0的情况，两个模式
在每个原胞外侧干涉增强，内侧干涉减弱，产生逆时针的全局电磁能流（图2c），对应Γ点附近局域的正Berry曲率（图2e）。对于狄拉克质量M<0的情况，激发出的顺时针的全局电磁能流涡旋与源手性恰好相反（图2d，f），导致了一种全新的惠更斯-菲涅耳现象。
图3. 基于微带线的蜂窝型LC电路实验装置图以及对应能带结构。
上述理论模型可以借助微带线搭建的蜂窝型LC电路进行实验验证（图3a，b）。其中可以通过改变胞内/胞间金属线的粗细（图3c，d）调节电感L1/L2（图3b），进而实现狄拉克质量M的正负转换。考虑狄拉克质量M由正数（M>0，对应L1<L2）逐渐降低，整体的能带结构将经历关闭带隙（M=0，对应L1=L2）到能带反转（M<0，对应L1>L2）的过程，实现了平庸相（图3e）到非平庸相（图3g）的拓朴相变。值得关注的是，这里的实验结构外部采用相反狄拉克质量的结构进行包覆（图3c，d），其主要目的是减少环境噪声影响，考虑到后续实验主要测量体态对应的频率（f = 1.43 GHz，1.445GHz），这种设计不会影响主要结论。
图4. 逆时针手性源在具有正狄拉克质量(M>0)结构中产生同向的"顺磁性"全局电磁能流。
考虑一个逆时针2π相位缠绕的手性源在正狄拉克质量（M>0）结构中产生的响应，通过电场强度、相位、局域坡印廷矢量以及全局坡印廷矢量可以观察到与源手性相同的局域以及全局能流涡流（图4）。类似地，考虑一个逆时针4π相位缠绕的手性源在负狄拉克质量（M<0）结构中产生的响应，可以观察到与源手性相同的局域能流涡流以及手性相反的全局能流涡流（图5）。考虑到这种异常能流仅出现在拓扑非平庸结构（M<0）的体态，上述结论提供了一种通过体态直接确定结构拓扑性的有效手段。
图5. 逆时针手性源在具有负狄拉克质量(M<0)结构中产生反向的"抗磁性"全局电磁能流。
