PRL：损耗诱导的谱空间拓扑相位奇点的动态演化和非互易特性- 大数跨境

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PRL：损耗诱导的谱空间拓扑相位奇点的动态演化和非互易特性

两江科技评论

2021-12-22

导读：近日，新加坡国立大学仇成伟教授课题组，上海交大赵长颖教授课题组以及湖南大学合作，在非互易体系下，研究了损耗诱导的谱空间拓扑相位奇点的非对称动态演化及其在打破热辐射基尔霍夫定律方面的应用

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撰稿|由课题组供稿

导读

不同于实空间的涡旋光和动量空间的偏振奇点，由损耗诱导的存在于光谱-参数空间的相位奇点作为一类新的拓扑特征被发现。近日，新加坡国立大学仇成伟教授课题组，上海交大赵长颖教授课题组以及湖南大学合作，在非互易体系下，研究了损耗诱导的谱空间拓扑相位奇点的非对称动态演化及其在打破热辐射基尔霍夫定律方面的应用。相关研究成果以“Evolution and nonreciprocity of loss-induced topological phase singularity pairs”为题，发表在Physical Review Letters上（Phys. Rev. Lett. 127, 266101, 2021）。

研究背景

近年来，关于连续谱中的束缚态（BICs）以及奇点的理论和应用研究受到广泛关注，但当前大多数工作关注与BICs关联的偏振奇点在动量空间的产生、演化、及其在远场涡旋光调制等方面的性质，而谱空间的相位奇点却少有研究。该类奇点出现在反射或透射强度为0的位置，在光谱-参数空间相位图上环绕该点可得到整数的拓扑荷数；谱空间相位奇点也具有鲁棒的拓扑性质：当改变系统参数时，这些奇点并不会突然消失，仅改变他们在光谱-参数空间的位置。因此，可以被用来提高传感器的灵敏度，设计拓扑超表面等。此外，目前关于奇点的讨论多基于各向同性材料，在非互易体系下，谱空间相位奇点的演化机制也会表现处许多新奇的现象。本文基于磁光材料，研究在材料损耗的存在下，由BICs分裂的拓扑相位奇点对（topological phase singularity pairs, TPSPs）在光谱-参数空间的非对称特性，揭示材料损耗和辐射损耗对TPSPs产生、演化和湮灭的影响机制，并建立了非互易体系下BICs的数目与位置的关系。此外，本工作进一步将谱空间非对称的相位奇点应用于非互易热辐射发射/吸收器件的设计，为打破热辐射基尔霍夫定律的相关理论和实验研究以及新型微纳能源器件设计提供了新的思路。

创新研究

本工作研究的结构由置于高反射基底上的中间介电层和介电常数近零(epsilon-near-zero, ENZ)的磁性材料层组成，如图1(a)所示，顶层磁性材料的介电常数为张量

。为了研究该体系下TPSPs的产生机理，我们首先推导了无介电层结构时导模(Berreman modes)的色散。图1(b)-1(e)分别从复频率的虚部、实部、Q因子以及相位图谱对比分析了无损条件下的BIC和加入损耗后产生的TPSP之间的关系。在

位置，色散方程的零点和极点重合，产生了Q因子趋近于无穷的BIC点（频率-角度空间拓扑荷数为

）。而当材料有损耗时，谱空间的BIC分裂成2个具有相反拓扑荷数的相位奇点（

），如图1(e)。由于外加磁场的存在打破了对称性，相位奇点不再关于对称。发现改变ENZ层材料损耗

或者厚度

（影响辐射损耗）大小，可以进一步控制TPSPs在谱空间的频率和角度位置，并且其演化轨迹始终沿着相应的色散曲线。

图1 TPSPs的产生机制和非对称调控方法。（a）磁性零介电常数薄膜与介电材料组成的层状结构；（b）无外加磁场时，材料中引入损耗后本征频率虚部的变化；（c）材料损耗()和辐射损耗()对TPSPs在谱空间位置和移动轨迹的影响。（d）无损体系下Q因子随入射角度的变化（上）以及拓扑荷数守恒（下）。（e）非互易条件下BIC分裂TPSP的反射相位图谱对比。（b）-（e）的结果是基于无介电层计算得到的。

当介电层存在时，在一定条件下会激发法布里佩罗共振，求解该体系下的色散方程得到，提取出参数

来表征了体系中介电层以及磁光效应的影响。进一步分析色散方程发现，方程的解近似等于色散方程的极点，从而可以用来定量的判断无损系统中非对称BICs出现的角度位置和数目。当材料引入损耗后，每一个BIC均分裂出2个相反拓扑荷数的相位奇点，通过调控系统中的损耗大小，这些非对称的TPSPs在色散曲线上产生，演化，甚至湮灭。例如，图2研究了由三个非对称BICs分裂产生的TPSPs的演化路径，奇点的湮灭顺序由色散曲线的形状以及Q因子的大小决定。此外，本工作进一步系统地讨论了介电材料的介电常数以及厚度等参数对非对称BICs和TPSPs的产生和演化的影响。

图2 多对拓扑相位奇点的非对称动态演化。（a）TPSPs的演化路径随ENZ层厚度以及材料自身损耗的变化。（b）-（c）为（a）图中几个特殊案例的TPSPs在频率-角度空间的相位图谱。（c）和（d）为第一对奇点湮灭和第二对奇点湮灭后的反射相位图。

另一方面，在无衍射条件下，该系统仅存在一个镜面反射通道，因此在相位奇点处，反射强度为0，根据能量守恒，意味着TPSPs处实现的完美吸收也具有鲁棒的拓扑保护性。因此，本工作基于非互易系统研究的非对称相位奇点特性可直接应用于非互易热辐射器件的设计。传统的热发射/吸收器件的设计基于基尔霍夫定律，认为热平衡条件下结构的发射率与吸收率相等，这不可避免地引入了内在的能量损失。为了完全打破该定律，通常或需要激发高Q的共振或依赖强的外部(或内部，外尔半金属)磁场条件。现有的研究多基于光栅结构激发表面波，但只能在某个特定角度下实现非对称的严格耦合条件，从而将吸收峰和发射峰分离，如图3(a)所示。而利用本工作提出的非对称TPSPs，可以在多角度下实现完美的非互易性发射并且全谱段抑制吸收。图3(b)-(d)给出了基于非对称TPSPs实现的非对称的吸收/发射图谱，并且由TPSPs产生的发射/吸收峰还具有鲁棒的拓扑保护特性。文章中还系统对比了现有的非互易热辐射器件的设计方法，并将TPSPs的相关发现推广到外尔半金属系统中。

图3 非对称相位奇点在非互易热辐射中的应用。（a）非互易热发射器件；（b）非对称的发射吸收光谱（左）及A点的辐射能量角分布（右）；（c）非互易热辐射谱的鲁棒性及（d）相应的最佳工作角度的变化。

总结

基于磁性的ENZ结构，通过引入材料损耗，本工作研究了由BICs分裂的±1 拓扑相位奇点在光谱-参数空间的非对称的产生、演化和湮灭过程，其演化轨迹基本与色散曲线重合。拓扑相位奇点在谱空间的位置、个数等信息可通过改变材料损耗或系统的辐射损耗进行调控，奇点湮灭的次序则由非对称的色散曲线的形状以及奇点处Q值的大小决定。此外，本工作将非对称的TPSPs应用于非互易热辐射器件的设计，为打破基尔霍夫定律的理论和实验研究提供了新的方法。非互易性和拓扑特性的结合不仅会产生了一些新奇的物理现象，也为微纳热辐射调控、新型热辐射能源器件开发，磁光效应增强，拓扑超表面设计等方面的应用研究提供了新的思路。

第一作者为上海交通大学-新加坡国立大学联授博士学位项目(SJTU-NUS Joint PhD Programme)学，上海交大工程热物理所博士生刘梦琦，通讯作者为上海交通大学赵长颖教授和新加坡国立大学仇成伟教授。合作者包括新加坡国立大学博士后赵晨博士和陈杨博士，湖南大学和新加坡国立大学CSC联培博士生曾益轩。

研究工作得到了国家自然科学基金重点项目、重点国际合作项目、以及上海市重点基础研究项目的资助, 和Ministry of Education, Republic of Singapore科技项目的资助。