导读
近日，南京大学卢明辉教授课题组首次报道了非厄米双层光子晶体体系中的奇异同心环结构，在堆叠二维光子材料中理论分析了由非厄米引入导致的奇异点不同拓扑构型的演变，并在硅材料体系的模拟实验中得到证实。相关成果以“Exceptional concentric rings in a non-Hermitian bilayer photonic system”为题发表在Physical Reivew B 上。
奇异点（EPs）是非厄米体系与厄米体系相比极为标志性的不同，对应于两个或多个本征值塌缩成一个本征值或本征矢的点。奇异点在光子学中具有大量新奇的效应与应用，如单向反射与透射、空间时间（PT）对称性破缺的激光器、缺陷免疫的传输等。另一方面，Dirac点在光子晶体中对应许多有趣的物理现象，如零折射率、光子拓扑绝缘体等。当Dirac光子晶体中引入增益损耗时，原有的Dirac点发生整形形成EPs环，在实空间形成圆盘的平带区域，对光的群速度调控具有重要价值。
当前，二维电子材料的堆叠引起了人们广泛的兴趣，如魔角石墨烯为高温超导的实现提供了思路。同样的，光子晶体的堆叠也构造了新的物理系统（堆叠二维光子材料），其中的非厄米的引入涉及到多EP点的协调组合，为平带调控以及由其引申的群速度的调控具有重大意义，但详细机制仍然不为人所知。
针对上述问题，本项工作的研究人员首先建立了基于双层光子晶体的非厄米紧束缚模型，并探讨了PT对称性以及粒子空穴对称性对EP点组合的影响，发现了EP环与EP同心环的演变规律。之后，通过构造基于复杂EP系统的拓扑不变量，将EP环与EP同心环进行定性描述，并在以硅材料为基础的双层光子晶体中通过模拟实验观察到了EP同心环以及具有增益与损耗的边界态表面弧。该研究首次揭示了堆叠二维光子材料中的非厄米效应，并模拟观测到了EP同心环的群速度调节新平台，以及具有增益损耗的表面弧行为，极大促进了人们对堆叠材料中非厄米效应的认识与应用。
图1 (a)非厄米紧束缚模型；(b-c) EPs环构型；(d-e)EPs同心环构型；(f-g)EPs环与同心环共存。
图2 (a)硅材料为基础的双层光子晶体；(b-c)模拟实验得到的EPs同心环结构；(d-f)具有增益与损耗的表面弧。
文章链接
https://doi.org/10.1103/PhysRevB.100.165134
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