图片来源：Light: Science & Applications
拓扑半金属，是指材料的半金属特性受拓扑保护，该类材料的研究发展更新了人们对物质属性和相变的认识。由于材料的拓扑属性，其表面存在拓扑保护的表面态。这些表面态可用于单向输运、局域场增强等等，因而新兴的研究热点。作为拓扑半金属家族的重要成员，狄拉克节线型半金属表现出四重线型能带简并的独特特性，它不仅与许多拓扑相变紧密关联，还能展示出新奇的表面模式，因此是研究拓扑相变和拓扑表面态的理想平台。
在光学领域，由于光子不同于电子的特性，光学拓扑半金属具有独特的体能带以及表面态表现。近年来，光学拓扑半金属领域的蓬勃发展给人们操控光予以全新的思路和手段，例如利用材料拓扑性“保驾”不同偏振的表面波。但在之前的研究工作中，光子体系中的狄拉克节线型半金属还没有被实现。一方面，虽然电子系统中已经实现狄拉克节线半金属，但由于电子和光子的本质区别（电子有克莱默简并而光子没有），该实现想法不能直接借鉴并推广到光学系统；另一方面，光子的偏振自由度类比电子自旋自由度，但是光子TE和TM偏振的固有响应不同，虽然可以通过设计超构材料使不同偏振响应在特定频率点一致，但是相应结构往往设计复杂，难以制造。此外，在光子体系中，表面态通常只存在于较小的频率和波矢范围内，并且由于光子两个偏振的响应不同，不同偏振的表面态很难简并。也就是说，两种偏振下的表面态在宽频段范围内简并是难以实现的，这限制了人们调控光学模式的自由。
针对这两个问题，南京大学的刘辉团队和武汉大学的肖孟团队合作，他们利用光子晶体的对称性和光子的偏振，实现了严格的光学狄拉克节线型半金属，并基于该结构得到了TE和TM偏振下的拓扑表面态，它们是宽带近简并的。因两组表面态色散似碗形，故称之为“双碗”表面态。
这项工作的主要亮点包含以下两方面：
（1）首创了一种简易的机制，来构造严格的光学狄拉克节线型半金属
研究人员设计了一个双层AB型一维介质光子晶体（图1a），通过研究其TE和TM两种偏振的能带，得到了能带简并条件，并证明了该系统中存在四重简并的狄拉克节线型色散；又由于系统中固有的面内旋转对称性，能带简并是环形的。接着，研究人员通过变角度透射测量，提取得到三个方向的能带（图2）。
图1 a: 光子晶体结构示意图；b: 四重简并的狄拉克节线环（金色环）附近的面内色散示意图；c和d: TE（蓝色）和TM（红色）偏振下kx和ky方向下的色散。
图2 a-d: 两种偏振下光子晶体样品的角分辨透射测量和模拟结果；e和f:提取得到的两种偏振沿kz方向的色散。
（2）实现宽带近简并的“双碗”表面态
研究人员利用已得到的狄拉克节线型半金属，选取恰当的位置截断并在其上镀一层金属，此时复合系统界面可激发出TE和TM偏振的表面态。它们色散似碗，且是宽带简并的：在“碗”中心和“碗”边缘是完全简并的，在整个测量光谱范围内也近乎简并。图3a和3b展示了两种偏振对应的“碗状”表面态，其中三种颜色的“碗”对应三种几何和材料参数的半金属。这种宽带简并的“双碗”表面态，是由环形能带简并和光子晶体本身的对称性所保证的。研究人员通过样品的角度分辨反射谱，证明了“双碗”表面态的存在（图3c-e）。
图3 a和b: TE和TM偏振宽带简并的“双碗”表面态；；c-f: 两种偏振下光子晶体/银膜样品的角分辨反射测量和模拟结果。
综上所述，研究人员基于光学狄拉克节线型半金属得到了全新的拓扑表面态。由于两组偏振下的“双碗”表面态在很宽的光谱范围内几乎简并，研究人员可以更加灵活地研究光子和物质相互作用，以及表面强局域场的调控。
本文第一作者是南京大学博士生胡梦莹，通讯作者是武汉大学肖孟教授和南京大学刘辉教授。
论文全文下载地址：
免责声明：本文旨在传递更多科研资讯及分享，所有其他媒、网来源均注明出处，如涉及版权问题，请作者第一时间后台联系，我们将协调进行处理，所有来稿文责自负，两江仅作分享平台。转载请注明出处，如原创内容转载需授权，请联系下方微信号。