发布时间：2024-05-10
近日，物理科学与工程学院先进微结构材料教育部重点实验室陈鸿教授课题组在《自然·通讯》（Nature Communications）在线发表了关于光子拓扑节线半金属的最新研究成果“Hyperbolic metamaterial empowered controllable photonic Weyl nodal line semimetals”，提出含双曲超构材料的一维光子晶体可以提供一个灵活的多功能平台以实现Weyl节线半金属（WNLS）的动力学演化和拓扑性调控。
随着拓扑能带理论的发展，存在带隙的拓扑绝缘体相引起了广泛的关注，进而推动了关于无带隙的拓扑半金属相的新一轮探索。在这一快速发展的领域中，前沿的研究方向之一是借助拓扑半金属模拟相对论性准粒子（主要特征是具有能带简并和线性色散的沙漏形能带），例如双重简并的Weyl费米子以及四重简并的Dirac费米子。这种准粒子的复杂相变值得进一步地挖掘和讨论。
该项研究工作发现在含双曲超构材料的一维光子晶体中，借助双曲超构材料对普通介质材料的位相增量补偿效应，可以通过调节两者厚度比实现II型、III型、I型Weyl节线半金属相之间的灵活转变。除了上述旋转自由度，电磁对偶性破缺赋予的平移自由度则可以通过双曲超构材料层中石墨烯的费米能（EF）加以调制，进而实现Dirac相、准Dirac相和分离Weyl相之间的演化。另一方面，本项工作观察了金属和上述一维光子晶体之间存在的界面态。在TE极化和TM极化简并环附近均出现一对具有异号拓扑荷的反射相位奇点，并锚定了一种全新的双侧鼓面态——同时分布在内侧和外侧带隙。有趣的是，类似于在光锥的类时区域内具有因果关系的事件，奇点对被约束在沙漏型能带的带隙之中。尽管增加元胞数N会导致奇点对相向运动，但是奇点对无法穿过简并环并彻底湮灭，这意味着在简并环位置将始终存在一种模态，对应于具有无限大品质因子Q的连续域束缚态（BIC）。这项工作展示了对一类具有BIC性质的Weyl准粒子的动力学演化和拓扑性调控，在揭示光子WNLS独特的旋转和平移自由度的同时，建立了节点物理和奇点物理间的联系。
图1：(a–b)在含双曲超构材料的一维光子晶体实现(c–f)旋转自由度和(g)平移自由度。对于(h)TE极化和(i)TM极化，带隙中简并环附近均出现一对具有异号拓扑荷的反射相位奇点，并锚定了双侧鼓面态。(j)增加元胞数N时，奇点对靠近Weyl节点环，形成准连续域束缚态（QBIC）。
同济大学物理科学与工程学院郭志伟副教授为论文通讯作者，博士研究生胡胜宇为论文第一作者，同济大学陈鸿教授、南开大学陈树琪教授、南开大学刘文玮副教授为研究工作作出了重要贡献。该研究工作受到国家重点研发项目、国家自然科学基金等项目支持。
