查看原文
其他

科学家拓展手性零能态到二维体系,相关样品可加工成纳米级器件,能将工作频率调至光学波段

朵克斯 DeepTech深科技 2024-02-01


“写论文时我还是一名准爸爸,论文投稿时我正式升级为爸爸。这一转变既让我感到很幸福,也促使我精心做好每一份工作。这段时间对于我来说可谓是双喜临门,看着研究成果和孩子一同成长,非常开心和欣慰。”香港科技大学助理教授表示。

图 | 贾宏伟(来源:)

那么,提到的这篇论文讲了什么?研究中,他和所在团队将手性朗道零能态,从三维体系拓展到二维体系,为设计小型化、低损耗、平板波导形的光子晶体器件带来助力。

研究中所设计的样品可以直接被缩小化,从而能够加工成纳米级器件,进而能将工作频率调整到光学波段。

假如未来二维光子晶体的加工条件变得更加成熟,那么本次体系中的零能态,可被直接用于设计低损耗光波导。

手性零级朗道能级,是粒子物理中非常重要的一种单向体态(简称“手性零能态”),其最重要的作用在于可以造成手性对称性破缺,从而导致手性电流的不守恒。

手性零能态具有传输稳定、可以克服背向散射等特性,假如它能在光学系统中加以实现,则会产生不错的应用前景。    

(来源:Light: Science & Applications

具体来说,单向体态是手性零能态的最主要特征。面对不同传输方向的零能态,很难对它们进行相互耦合,这意味着零能态有着极强的传输稳定性。

同时,和拓扑边界态不同的是,零能态的能量被束缚于系统内部,因此不会轻易造成泄露损耗。

现如今的光纤通讯极大提高了网络带宽,但是光纤的缺点在于不能弯折,一旦弯折就很容易导致模式泄露。而零能态却不存在这种问题,原因在于不同方向传输的零能态之间的耦合极其微弱。

同时,零能态与外界自由空间的能态也很难相互耦合,即便系统弯折会产生一定缺陷,但也很难导致散射的损耗。这意味着信号传输的稳定性能被极大提高,而这也是零能态和光纤波导的最大区别。    

由此可见,对于设计低损耗的光学信号传输器件来说,零能态可以提供新的思路。

(来源:Light: Science & Applications)

手性零能态,不能仅仅局限于三维系统

此前,学界通常认为手性零能态的产生,需要三维的外尔粒子与轴向磁场相互耦合。但是,由于光子是一种中性粒子,它无法感受到真实的磁场力。    

如今,拓扑光子学的发展为手性零能态的实现提供了较好的平台。具体来说:其一,光子晶体能带中的线性简单,并且具有和外尔粒子类似的单粒子特性;其二,当使用光子晶体能带对系统进行非均匀调制时,其所带来的效果与磁场的效果相同。

这两个关键因素带来的好处在于:尽管光子不能感受真实的磁场,但却依旧可以通过非均匀光子晶体系统,来对手性零能态进行观测。

从应用角度来讲,在加工三维光子学系统的时候,往往面临较高的技术门槛。以制备三维光子晶体为例,三维元胞的堆叠结构相对比较容易刻蚀。不过,面对更加复杂的三维立体结构,利用传统的刻蚀技术很难实现。

三维打印技术固然能够解决问题,但是结构造价会变得极为高昂,这给制造工作带来了较大障碍。

尽管具有外尔简并的结构,本身是一种三维系统。但是,目前对于手性零能态的讨论,也仅仅局限于三维系统。

假如能将手性零能态从三维系统拓展到二维系统,将能有效拓展其应用前景,对于实现单向体态或波导态也将带来重要意义。基于此,和同事开展了本次研究。    

(来源:Light: Science & Applications)

是否和现有理论冲突?

研究中,针对课题设计是否与物理理论相矛盾,课题组开展了讨论。说:“我和同事的物理直觉是:手性零级朗道能级应该存在于三维系统,而二维系统在缺少一个维度的情况下,是否会和现有理论存在冲突?后来,我们想到了合成维度。”

本质来讲,外尔简并与狄拉克简并,都是一种线性简并。当面外波矢为零的情况下,狄拉克简并好比是外尔简并的一个子系统。    

而在狄拉克系统之中,破掉空间反演对称之后的等效质量,完全可被认为是一个面外波矢。也就是说,等效质量——便是课题组为狄拉克系统这个二维体系引入的合成维度。

基于此,他们又在合成维度上引入人工规范场,借此生成面内的等效人工磁场,从而能在理论上预测面内的手性零级朗道能级。同时,本次工作中的相关理论也和现有理论没有任何冲突。

于是,他们开始着手设计实际样品,并采用光学蜂窝晶格的结构。蜂窝结构能够很好地支持狄拉克简并,同时通过调制蜂窝格点的半径,可以实现等效质量的引入。

在实验模拟中,他们又对零能态的中心频率、正负一阶能态间的带宽加以确认。在对结构的几何参数进行优化之后,样品加工也变得更加方便。

然而,针对样品开展测量实验时,却让他们感到十分棘手。由于所设计的样品是一种二维样品,这意味着样品的面外方向结构可以被无限延伸。

但是,如此完美的二维结构很难被实现。因为,在面外方向需要进行截断处理,而本次样品的厚度相对有限。这就导致在测量时需要将样品放在两个金属板之间,从而让有限厚度体系的内场分布,能和二维理想系统的场分布,不会出现本质上的区别。    

同时,为了测量系统内部的场分布,必须对上层金属板进行刻蚀从而产生狭缝,只有这样才能让场探针深入进去。

而这些狭缝所导致的能量泄露,会大大降低测量结果的分辨率。为此,他们对探针位置进行调节,并使用金属片覆盖部分狭缝等手段,终于得到了想要的结果,真正做到从实验上验证零能态的稳定传输特性。在这其中,课题组成员王暮迪博士贡献了不少技术手段。

最终,相关论文以《非均匀有效质量二维 Dirac 锥系统中手征 Landau 能级的实验实现》()为题发在 Light: Science & Applications[1]。

香港科技大学助理教授是第一作者兼共同通讯,香港科技大学教授担任共同通讯作者。

图 | 相关论文(来源:Light: Science & Applications

目前来看,等人针对手性零级朗道能级在基础理论上的探究已经相对充分。不过,作为光子学领域里的新兴物理效应,相关应用的挖掘依旧缺乏。

如前所述,本次设计的样品能被直接缩小到纳米尺度级别,从而使其中心频率处于光学波段,进而用于实现单向光波导。但针对其中的细节,依旧需要更多数据的支撑。

此外,尺度缩小过程中是否会引入不必要的能态产生干扰?新的结构是否需要更多优化?从而让正负一阶朗道能级之间只存在零能态?这些都是需要考虑的问题。

同时,他们还打算通过设计其它结构来实现多重零能态,借此实现波分复用等功能,预计将对光子晶体系统的实际应用带来一定参考。



参考资料:
1.Jia, H., Wang, M., Ma, S. et al. Experimental realization of chiral Landau levels in two-dimensional Dirac cone systems with inhomogeneous effective mass. Light Sci Appl 12, 165 (2023). https://doi.org/10.1038/s41377-023-01209-z


运营/排版:何晨龙






01 / 2023年度“35岁以下科技创新35人”全球入选者正式发布,两天后杭州继续见证亚太创新青年的力量!

02 / 科学家高效合成新型化合物,一步反应即可生成手性胺,极大拓展原有的胺源体系

03 / 科学家打造激光诱导固氮系统,常温常压即可反应,比此前最高产率高出两个量级

04 / 浙大团队开发存算一体新硬件,同时具备高精度编程和快速写入能力,在阵列级应用获成功验证

05 / 清华团队研发光电融合芯片,算力是商用GPU的3000余倍,推动构建生态友好的AI计算框架


继续滑动看下一个

科学家拓展手性零能态到二维体系,相关样品可加工成纳米级器件,能将工作频率调至光学波段

朵克斯 DeepTech深科技
向上滑动看下一个

您可能也对以下帖子感兴趣

文章有问题?点此查看未经处理的缓存