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摘要近日,南京大學(xué)物理學(xué)院研究團(tuán)隊(duì)與武漢大學(xué)物理學(xué)院研究團(tuán)隊(duì)合作,探索了扭轉(zhuǎn)與拓?fù)浜?jiǎn)并之間的內(nèi)在物理聯(lián)系。

  【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近年來(lái),扭轉(zhuǎn)角作為一種新的自由度,在各種莫爾物理系統(tǒng)中起著越來(lái)越重要的作用。然而,學(xué)界普遍關(guān)注扭轉(zhuǎn)引起的平帶及相關(guān)效應(yīng),對(duì)于扭轉(zhuǎn)系統(tǒng)中拓?fù)浜?jiǎn)并的非平凡物理性質(zhì),目前還缺乏報(bào)道。近日,南京大學(xué)物理學(xué)院研究團(tuán)隊(duì)與武漢大學(xué)物理學(xué)院研究團(tuán)隊(duì)合作,探索了扭轉(zhuǎn)與拓?fù)浜?jiǎn)并之間的內(nèi)在物理聯(lián)系。眾所周知,拓?fù)浜?jiǎn)并通常受到對(duì)稱(chēng)性的保護(hù)。然而,研究團(tuán)隊(duì)觀察到一個(gè)相反的機(jī)制:扭轉(zhuǎn)不僅打破了系統(tǒng)的對(duì)稱(chēng)性,而且還引入了在對(duì)稱(chēng)系統(tǒng)下不存在的拓?fù)浜?jiǎn)并點(diǎn),且這種簡(jiǎn)并點(diǎn)可被扭轉(zhuǎn)角靈活調(diào)控。
 
  圖1,不同扭轉(zhuǎn)角結(jié)構(gòu)的拓?fù)淠軒?(a)α=0°(無(wú)拓?fù)浜?jiǎn)并點(diǎn)); (b)α=70°(兩個(gè)分離的拓?fù)浜?jiǎn)并點(diǎn)); (c)α=90°(兩個(gè)重合的拓?fù)浜?jiǎn)并點(diǎn):charge-2 拓?fù)浜?jiǎn)并點(diǎn))。
 
  如圖2(a)所示,研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種新型的扭轉(zhuǎn)晶格結(jié)構(gòu),他們將兩個(gè)相互扭轉(zhuǎn)(扭轉(zhuǎn)角為α,如插入圖所示)的各向異性超表面嵌入多層光子晶體中,形成(光子晶體/超表面/光子晶體/超表面/光子晶體)堆垛結(jié)構(gòu),兩超表面處都存在一個(gè)各向異性界面模式,這兩個(gè)界面模式相互耦合,形成一種混合極化的雙層扭轉(zhuǎn)各向異性界面態(tài)。
 
  研究發(fā)現(xiàn),兩超表面層間的扭轉(zhuǎn)角會(huì)引起系統(tǒng)鏡面對(duì)稱(chēng)性的破缺和各向異性界面態(tài)能帶的簡(jiǎn)并,此種引起簡(jiǎn)并點(diǎn)的機(jī)制和學(xué)界所熟知的對(duì)稱(chēng)性保護(hù)的簡(jiǎn)并機(jī)制是截然相反的。具體來(lái)說(shuō),當(dāng)結(jié)構(gòu)具有鏡面對(duì)稱(chēng)性時(shí),(即沒(méi)有扭轉(zhuǎn)時(shí))能帶不存在簡(jiǎn)并,如圖1(a)所示,而一旦結(jié)構(gòu)的鏡面對(duì)稱(chēng)性被扭轉(zhuǎn)打破,例如,扭轉(zhuǎn)角為70°時(shí),能帶就會(huì)出現(xiàn)簡(jiǎn)并,如圖1(b)所示。此外,簡(jiǎn)并的位置是可被扭轉(zhuǎn)角靈活調(diào)節(jié)的,當(dāng)扭轉(zhuǎn)角為90°時(shí)(即超表面相互垂直時(shí)),能帶中的兩簡(jiǎn)并點(diǎn)在動(dòng)量空間原點(diǎn)處合成為一個(gè)拓?fù)浜蔀?的簡(jiǎn)并點(diǎn),如圖1(c)所示。
 
  圖2,(a)扭轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)(光子晶體/超表面/光子晶體/超表面/光子晶體)示意圖,插入圖給出了超表面的相對(duì)旋轉(zhuǎn)情況(扭轉(zhuǎn)角為α)。 (b),(c),(f)和(g)不同扭轉(zhuǎn)角實(shí)驗(yàn)樣品的角分辨反射光譜測(cè)量結(jié)果(綠點(diǎn)為簡(jiǎn)并點(diǎn)的位置)。 (d)扭轉(zhuǎn)角-動(dòng)量合成維度空間中的拓?fù)涔?jié)線(xiàn)和拓?fù)滏溄?,綠色實(shí)線(xiàn)為理論預(yù)測(cè)值,紅色點(diǎn)為實(shí)驗(yàn)測(cè)量值。(e)實(shí)驗(yàn)樣品SEM圖,黑色箭頭指示超表面的位置。
 
  l能帶拓?fù)浜?jiǎn)并點(diǎn)角分辨光譜測(cè)量
 
  通過(guò)使用聚焦離子束刻蝕和電子束蒸鍍技術(shù),研究人員在納米尺度上制備了一系列不同扭角的結(jié)構(gòu),圖2(e)給出了一個(gè)扭轉(zhuǎn)樣品的SEM橫截面圖,黑色箭頭指示了各向異性超表面的位置。使用微區(qū)角分辨光譜技術(shù)測(cè)量了一系列扭轉(zhuǎn)角下的反射光譜,如圖2(b),(c),(f)和(g)所示,界面態(tài)在反射譜上表現(xiàn)為反射谷,與理論值吻合(灰色虛線(xiàn)),綠點(diǎn)表示理論所預(yù)測(cè)的拓?fù)浜?jiǎn)并點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了動(dòng)量空間中拓?fù)浜?jiǎn)并點(diǎn)的存在。同時(shí),通過(guò)對(duì)一系列扭轉(zhuǎn)角下簡(jiǎn)并點(diǎn)位置的標(biāo)定,給出了扭轉(zhuǎn)角-動(dòng)量合成維度空間中存在的拓?fù)涔?jié)線(xiàn)和拓?fù)滏溄咏Y(jié)構(gòu)(如圖2(d)所示)。
 
  l拓?fù)浜?jiǎn)并點(diǎn)附近等頻率線(xiàn)測(cè)量
 
  研究團(tuán)隊(duì)從實(shí)驗(yàn)上測(cè)量了拓?fù)浜?jiǎn)并點(diǎn)附近的兩個(gè)色散能帶的等頻率線(xiàn),并與理論結(jié)果進(jìn)行了比較。在實(shí)驗(yàn)上通過(guò)對(duì)反射谷的提取給出了等頻率點(diǎn),黑點(diǎn)為實(shí)驗(yàn)測(cè)量值,實(shí)線(xiàn)是理論計(jì)算結(jié)果。圖3(a-c)分別給出了扭轉(zhuǎn)角為75°樣品等頻率線(xiàn)高于簡(jiǎn)并點(diǎn)(a),位于簡(jiǎn)并點(diǎn)(b),低于簡(jiǎn)并點(diǎn)(c)處的等頻率線(xiàn),其顏色由界面態(tài)電場(chǎng)和磁場(chǎng)能量的比重決定(見(jiàn)圖例)。具體的分析指出,在簡(jiǎn)并點(diǎn)附近,兩種模式的主導(dǎo)分量不同(分別是Ez和Hz和),表現(xiàn)為等頻率線(xiàn)的顏色不同。圖3(d-e)給出了三個(gè)不同扭轉(zhuǎn)角樣品拓?fù)浜?jiǎn)并頻率處的等頻率線(xiàn),分別是(d)α=90°;(e)α=80°;(f)α=70°。此結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)并點(diǎn)處的等頻率線(xiàn)和兩界面本征模式主導(dǎo)分量的區(qū)別都類(lèi)似于三維空間中各向異性介質(zhì),因此,以上結(jié)果顯示,此類(lèi)扭轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)可以被認(rèn)為是一種可調(diào)的二維各向異性雙折射材料。
 
  圖3,(a)-(c)特定扭轉(zhuǎn)角樣品的拓?fù)浜?jiǎn)并點(diǎn)附近等頻率線(xiàn)的演化:扭轉(zhuǎn)角為75°時(shí),頻率高于(a),位于(b)和低于(c)簡(jiǎn)并點(diǎn)的等頻率線(xiàn)。(d)-(f)不同扭轉(zhuǎn)角下拓?fù)浜?jiǎn)并點(diǎn)處的等頻率線(xiàn)隨著扭角改變的演化特性。綠點(diǎn)代表簡(jiǎn)并點(diǎn),等頻率線(xiàn)的顏色由
 
決定,
 

 
分別代表
 
方向(光子晶體交替方向)的電場(chǎng)和磁場(chǎng)能量,定義為
 

 
。其中黑點(diǎn)為實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果。
 
  研究團(tuán)隊(duì)展示了一種使用扭轉(zhuǎn)角打破對(duì)稱(chēng)性來(lái)誘導(dǎo)構(gòu)建拓?fù)浜?jiǎn)并點(diǎn)的物理機(jī)制,并在實(shí)驗(yàn)上證實(shí)了簡(jiǎn)并點(diǎn)的存在。此外,將扭轉(zhuǎn)角作為一個(gè)新的合成維度,在此角度-動(dòng)量合成維度中可觀察到拓?fù)涔?jié)線(xiàn)與拓?fù)滏溄樱虼舜祟?lèi)扭轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)在研究高維合成維度空間中拓?fù)湮锢硪簿哂幸欢ǖ难芯績(jī)r(jià)值。此外,簡(jiǎn)并點(diǎn)處的等頻率線(xiàn)顯示此類(lèi)結(jié)構(gòu)具有新穎的雙折射表面模式,在片上集成偏振調(diào)控與復(fù)用等方面有著潛在的應(yīng)用價(jià)值。
 
  這一研究成果以“Topological degeneracy induced by twisting”為題,于2025年3月11日發(fā)表于Physical Review Letters期刊 [Phys. Rev. Lett. 134, 106601 (2025)],并被選為編輯推薦。南京大學(xué)物理學(xué)院博士生彭韓、物理學(xué)院副教授王強(qiáng)為論文共同第一作者,南京大學(xué)物理學(xué)院劉輝教授、王強(qiáng)副教授和武漢大學(xué)肖孟教授為共同通訊作者,本工作在祝世寧教授的悉心指導(dǎo)下完成。上述研究工作得到了固體微結(jié)構(gòu)物理全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、南京微結(jié)構(gòu)協(xié)同創(chuàng)新中心的支持,得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、江蘇省基礎(chǔ)研究計(jì)劃自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的資助。

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