科研速递 | 理工学院解碧野教授团队联合南京大学卢明辉教授和詹鹏教授在Laser&Photonics Reviews上发表成果

近日，理工学院解碧野教授联合南京大学卢明辉教授和詹鹏教授团队在拓扑光子晶体领域取得突破，相关成果以“Disentangled higher-orbital bands and chiral symmetric topology in confined Mie resonance photonic crystals”为题发表于Laser & Photonics Reviews上（https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/lpor.202300543）。

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Laser & Photonics Reviews 介绍

Laser & Photonics Reviews为Wiley旗下的光学领域顶级期刊，其2021年影响因子为10.947，JCR分区Q1。

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研究背景

自1987年光子晶体概念首次提出以来，由于其独特的光学性质和广泛的应用潜力，受到了广泛研究。特别是在类比于紧束缚模型的光子晶体领域，已经成功发现了众多有趣的拓扑现象。然而，光子晶体研究仍然存在一些待解决的问题。首先，由于在低频处存在线性色散，光子晶体能带缺乏手性对称性。其次，高频带的无序性限制了光子晶体高轨道研究的深入。此外，三维光子晶体与三维紧束缚模型存在本质差异，使得三维光子晶体能带无法简单对应紧束缚模型，并且打开其完整的全带隙变得困难。解决这些问题仍然具有挑战性。

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研究方法

为了解决上述问题，本文作者提出了一种新型的光子晶体设计——受限Mie共振光子晶体（CMR-PC），其通过在光子晶体介质柱之间嵌入完美电导体从而实现能带的手性对称，并能与紧束缚模型能带完美匹配（图1）。此外，作者还发现CMR-PC结构在高频带处能带显示出退纠缠的特性，并观察到干净的简并点存在，且通过观察CMR-PC的场分布发现介质柱内部体现出p, d, f等高阶共振轨道，这使得CMR-PC具有可以通过原子轨道线性组合（LCAO）实现各种奇异的紧束缚模型的可能（图2）。同时，作者在二维CMR-PC的基础上通过在z方向金属板打孔的方式设计了三维CMR-PC。三维CMR-PC具有与三维紧束缚模型完美对应的能带结构。此外，通过改变金属柱的大小与空气孔高度可以轻易实现具有三维全带隙的拓扑结构（图3），作者据此设计了有限大小结构从而得到了三维的高阶拓扑光子晶体（图4）。

图1. a, b, c具有C₃、C₄、C₆对称的CMR-PC结构。d, e, f CMR-PC能带（红色圆圈）表现出与紧束缚能带（黑线）特征的高度重合以及最低频（黑色星型）所对应的场分布示意图。g, h, i 全介质光子晶体能带由于低频处线性色散而缺乏手性对称，且场分布在最低频（橙色圆圈）附近处显示出平面波特征。

图2. a, b 具有C₆对称的全介质光子晶体高频能带以及一些高轨道能带的放大图。c CMR-PC的高频能带示意图，其中红色区域表示为处于最高频率的带隙。d 各轨道能带放大图显示出退纠缠的特性并具有干净的简并点。e 红色星型所对应的CMR-PC场分布，介质柱中表现出各种轨道自由度。

图3. a, b 三维CMR-PC结构示意图以及所对应的光子晶体能带（红色圆圈），该能带结构与三维紧束缚模型能带（黑线）高度重合。c, d 三维全介质光子晶体及其能带结构。e, f 具有三维全带隙的拓扑CMR-PC结构及其对应能带。

图4. a 基于三维拓扑CMR-PC设计的三维有限大小结构示意图。b, c, d, e 分别观察到场局域于体，表面，棱以及角上，从而形成体态，表面态，铰链态与角态。

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研究结论

在此工作中，作者所提出的CMR-PC结构将为研究光子晶体手性对称的能带结构与高轨道能带模型提供一种全新的研究平台，由于CMR-PC拥有与紧束缚模型相同特征的能带，从而可在二维与三维光子晶体平台中得到各种各样的拓扑相。除此之外，CMR-PC也可通过高轨道之间的耦合来实现更多奇异的紧束缚模型。另一方面，在未来，作者期待在三维CMR-PC中引入旋磁材料从而实现三维时间反演对称破缺的拓扑光子态。

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作者简介

解碧野教授、卢明辉教授、詹鹏教授为本文共同通讯作者。

解碧野教授2013年本科毕业于中国科学技术大学凝聚态物理专业，2017年博士毕业于香港大学物理系，2018-2022年分别在南京大学现代工程与应用科学学院和香港大学物理系从事博士后研究工作，2022年3月加入香港中文大学（深圳）理工学院担任助理教授（Tenure-track Assistant Professor）。曾获得香港大学UPF奖学金（2013），人工微结构科学与技术协同创新中心优秀博士后奖A类（2019）。解碧野教授已以第一作者或通讯作者（包括共同）在国际高水平期刊Nat. Rev. Phys.，Nat. Comm.，Phys. Rev. Lett.，Light: Sci. & Appl.，Phys. Rev. B，Phys. Rev. Research，Opt. Express等国际期刊发表十余篇论文, 并担任APS系列期刊（包括PRL，PRB，PRA等）和OSA系列期刊（包括Optica，Photonic Research，OE，OL等）的审稿人。

卢明辉教授2002年本科毕业于南京大学材料系专业，2007年获南京大学材料系博士学位，2014年至今担任南京大学教授。2013年入选“万人计划”青年拔尖人才，2014年获批“江苏省杰出青年基金”项目，2016年获批“国家自然科学基金杰出青年基金”，2018年入选“国家万人计划科技创新领军人才”。在国际核心期刊（SCI）上发表论文300余篇，发表文章包括Science，Nature Mater.，Nature Phys.，Phys. Rev. Lett.，Nature Commun.，PNAS，NSR等国内外一流期刊。现为Light Science & Applications杂志南京办公室负责人，Nature系列刊物，APS，AIP等学术期刊的杂志审稿人。

詹鹏教授2000年本科毕业于南京大学物理系晶体物理专业，2006年获南京大学凝聚态物理专业理学博士学位，2007年获得“江苏省优秀博士论文奖”及“全国优秀博士论文提名奖”。2006至2008年在南京大学电子科学与工程学院开展博士后研究，后留校任教。2008年8月至2009年10月在美国Northwestern University机械工程系进行博士后研究工作。2012年入选 “南京大学青年骨干教师”，2020年入选首批“南京大学青年名师名课培育计划”，曾获得南京大学中国银行奖教金（2012年）、同正奖教金（2018年、2020年）。在Phys. Rev. Lett.，Nat. Commun.，Adv. Mater.， Laser. Photon. Rev.，Phys. Rev. Appl./A/B，Opt. Lett./Express，Appl. Phys. Lett.，Small，ACS Nano，Langmuir等国际重要学术期刊上发表论文80余篇。参与发明并申请11项国家发明专利，有6项获得授权。研究工作获得2018年度江苏省科学技术奖一等奖（排名第三）。现任江苏省科协第十届委员会委员，江苏省光学学会常务理事、秘书长。

李靖为本文第一作者。

李靖，香港中文大学（深圳）2023级博士研究生，目前主要从事拓扑光子学，凝聚态拓扑理论等研究。

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