光子晶體中隱藏對稱性與高階

01導(dǎo)讀

作為拓?fù)洳牧系囊粋€重要研究分支，拓?fù)淠軒Ш啿⒌难芯科鹪从谠谥芷谛圆牧现袑ふ彝鉅柡偷依藴?zhǔn)粒子。由于周期系統(tǒng)的晶體空間群比均勻時空支持更豐富的能帶簡并結(jié)構(gòu)，因此在周期系統(tǒng)中存在著超越高能物理所研究的準(zhǔn)粒子態(tài)。通常人們認(rèn)為光子晶體中整數(shù)自旋空間群可完整描述電磁波的能帶簡并和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

近日，華中科技大學(xué)陳云天副教授團(tuán)隊，香港科技大學(xué)陳子亭教授團(tuán)隊等課題組共同合作，揭示了一種隱藏于麥克斯韋方程組中光學(xué)系統(tǒng)特有的對稱性，發(fā)現(xiàn)了一種由隱藏對稱性保護(hù)的全新的三重簡并點（稱為拓?fù)涔?jié)線連結(jié)點），及該頻點出新奇的光學(xué)現(xiàn)象。相關(guān)成果以“Hidden-symmetry-enforced nexus points of nodal lines in layer-stacked dielectric photonic crystals”為題發(fā)表在Light： Science & Applications。

該文作者發(fā)現(xiàn)如果各向異性介電張量的不同元素具有比晶格元胞更小的分?jǐn)?shù)周期，則麥克斯韋方程可展現(xiàn)出超越空間群的隱藏對稱性，此對稱性保證了多條能帶之間的拓?fù)涔?jié)線始終會相交于一對三重簡并點。

這種被稱為拓?fù)涔?jié)線連結(jié)點的新型三重簡并準(zhǔn)粒子是動量空間中有別于狄拉克磁單極的一類新型磁單極子。利用三重簡并點附近的特殊各向異性色散特征，研究發(fā)現(xiàn)該點處具有奇特的自旋1圓錐衍射效應(yīng)，可實現(xiàn)最大拓?fù)浜蔀?的光渦旋態(tài)。

02研究背景

對稱性原理是現(xiàn)代物理學(xué)發(fā)展的基石，在人們揭示自然規(guī)律和建立物理定律的過程中起到了關(guān)鍵作用。假如沒有對稱性原理的應(yīng)用，很難想象物理學(xué)近兩百年有如此巨大的發(fā)展。對稱性原理的一個重要應(yīng)用是揭示了每一個守恒量的背后都有一種相應(yīng)的對稱性存在，比如動量守恒本質(zhì)上是空間平移對稱性的結(jié)果。另一方面，以規(guī)范變換對稱為代表的隱藏對稱性對于揭示基本粒子間的相互作用起到了關(guān)鍵的作用。如2004諾貝爾物理學(xué)獎獲得者David Gross所說，現(xiàn)代物理前沿中的研究重點就是探尋極小尺度下新的隱藏對稱性。 在拓?fù)湮锢硌芯恐?，對稱性同樣發(fā)揮著極其重要的作用。物理系統(tǒng)的對稱性不僅決定了拓?fù)浣^緣相和拓?fù)浜啿⒌姆诸?，對于基于拓?fù)湫?yīng)的新型光電器件的設(shè)計和探索也有指導(dǎo)意義。

在拓?fù)涔庾訉W(xué)早期的開拓性研究工作中，研究人員通常是尋找與電子拓?fù)鋺B(tài)相對應(yīng)的電磁效應(yīng)。光子作為玻色子，與電子有本質(zhì)的區(qū)別，近年探索光學(xué)系統(tǒng)自身獨有的對稱性導(dǎo)致的拓?fù)湫?yīng)逐漸受到人們的重視。

例如利用電磁對偶對稱性，可實現(xiàn)類似于電子系統(tǒng)的Kramers簡并。由于電磁對偶對稱性對材料介電常數(shù)和磁導(dǎo)率的關(guān)系有極嚴(yán)格的限制，這對拓?fù)涔鈱W(xué)器件的實用化造成了障礙。

在普通的電介質(zhì)材料中是否也蘊涵著可導(dǎo)致非平凡拓?fù)湫再|(zhì)的隱藏對稱性呢？這正是本文要回答的問題。

03創(chuàng)新研究

該工作揭示了一種隱藏于麥克斯韋方程組中光學(xué)系統(tǒng)特有的對稱性，發(fā)現(xiàn)了一種由隱藏對稱性保護(hù)的全新的三重簡并點（稱為拓?fù)涔?jié)線連結(jié)點），及該頻點出新奇的光學(xué)現(xiàn)象。

定態(tài)麥克斯韋方程組可以簡單表示為一個廣義本征值問題N^（r）ψ=ωM^（r）ψ，由于所有空間群操作都不改變旋度矩陣N^，所以空間群的對稱性只要求本構(gòu)張量M^（r）在空間群變換下不變。如果把麥克斯韋方程改寫為哈密頓量形式H^（r）ψ=ωψ，H^（r）=M^（r）-1N^（r），不難發(fā)現(xiàn)，麥克斯韋方程所滿足的對稱性A^只要求H^（r）在對稱操作下不變，而不需要N^和M^各自滿足對稱條件。

這意味傳統(tǒng)的空間群可能只涵蓋了光學(xué)系統(tǒng)對稱性的冰山一角，也意味光學(xué)系統(tǒng)中可能存在大量未被發(fā)現(xiàn)的對稱性值得研究和利用。

本文設(shè)計了一個由各向異性電介質(zhì)板堆疊而成的光子晶體結(jié)構(gòu)來展示這種隱藏對稱性及其對能帶的影響，光子晶體周期性來源于同種各向異性電介質(zhì)的光軸周期性旋轉(zhuǎn)（圖1）。

圖1 各向異性層堆疊式的光子晶體及其能帶

本文的研究發(fā)現(xiàn)由于介電張量的各個分量可以具有比光子晶體元胞更小的周期（原胞周期的分?jǐn)?shù)），導(dǎo)致該系統(tǒng)具有一個超出空間群的廣義的分?jǐn)?shù)螺旋對稱性。這個隱藏對稱性與時間反演對稱性一起保證了除最低兩條能帶之外的所有能帶都沿著kz軸（ΓZ）方向具有二重簡并，進(jìn)而構(gòu)成一類橫貫kz軸的新型拓?fù)涔?jié)線（稱之為“類Kramers”拓?fù)涔?jié)線）。

由于隱藏對稱性的存在，可證明了光子晶體具有比空間群對稱條件約束下更高的能帶連通性。考慮到電介質(zhì)光子晶體的最低一對能帶必定經(jīng)過光錐原點（ω=|k|=0），可證明最低階的類Kramers拓?fù)涔?jié)線一定和另外兩條受鏡面對稱保護(hù)的拓?fù)涔?jié)線環(huán)相交于一對三重簡并點（圖2），稱為拓?fù)涔?jié)線連結(jié)點（nexus point）。

圖2 隱藏的1/4螺旋對稱性對能帶連通性的影響

類比實空間中的電磁場，貝里曲率通量（Berry flux）可看作動量空間中的磁通量，而外爾點作為貝里磁通量的輻射源對應(yīng)于實空間中的狄拉克磁單極子。在本文研究的系統(tǒng)中，所有的貝里曲率磁通量都被束縛在拓?fù)涔?jié)線上，所以拓?fù)涔?jié)線可認(rèn)為是動量空間中的“宇宙弦”，而節(jié)線連結(jié)點作為“宇宙弦”的交匯點構(gòu)成了動量空間中一類有別于外爾點的新型磁單極子。 如圖3所示，能帶在三重簡并連結(jié)點附近呈現(xiàn)出不同尋常的各向異性色散特征。在ky=0截面上三個能帶沿著拓?fù)涔?jié)線線性交叉，在kx=0截面上能帶結(jié)構(gòu)類似于II型三重簡并點。而在kz固定的截面上能帶由一對圓錐和一條平帶相交形成由二維自旋1哈密頓量描述的二維各向異性類狄拉克錐，在等頻率面內(nèi)也表現(xiàn)出相似的類狄拉克錐色散特征。打破隱藏對稱性會導(dǎo)致沿著類Kramers拓?fù)涔?jié)線的二重簡并打開，節(jié)線連結(jié)點隨之消失，而原先相交的一對拓?fù)涔?jié)線環(huán)分離為一上一下兩條獨立的節(jié)線環(huán)，根據(jù)節(jié)線附近不同的能帶色散，上面一條稱為第二類拓?fù)涔?jié)線環(huán)，下面一條為第三類拓?fù)涔?jié)線環(huán)。

圖3 三重簡并連結(jié)點附近的能帶結(jié)構(gòu)

當(dāng)光束入射到普通二重簡并拓?fù)涔?jié)線上時，如光線沿雙軸晶體光軸方向入射，會發(fā)生經(jīng)典的圓錐衍射現(xiàn)象，這種衍射效應(yīng)可由二維的自旋1/2狄拉克方程解釋。相比之下，三重簡并節(jié)線連結(jié)點對光的衍射效應(yīng)呈現(xiàn)出明顯不同，由于該頻點附近的等頻率面形成一個自旋為1的類狄拉克錐，單色光在該點上的動力學(xué)可由二維自旋1哈密頓量描述，其中z軸可等效為時間軸，這導(dǎo)致此處入射的光波會經(jīng)歷特殊的自旋1圓錐衍射（圖4）。該頻點的色散特征導(dǎo)致衍射光束會分成圓錐狀衍射環(huán)和一束沿z方向筆直傳播的兩部分光束。

更有趣的是，如果入射光的初始狀態(tài)是一個spin-1角動量本征態(tài)，光束在衍射過程中會發(fā)生自旋量子數(shù)躍遷，而躍遷前后的自旋角動量之差會轉(zhuǎn)化為衍射環(huán)的軌道角動量。當(dāng)將出射波投影到不同的自旋1本征態(tài)上時，會觀察到環(huán)繞衍射環(huán)的光渦旋，光渦旋的拓?fù)浜捎沙跄B(tài)自旋量子數(shù)之差決定，因此可取值0，±1和±2。這個效應(yīng)表明了該三重節(jié)線連結(jié)點為研究二維自旋1動力學(xué)提供了一個新途徑。

圖4 三重簡并連結(jié)點處的自旋1圓錐衍射效應(yīng)

04應(yīng)用與展望

本文研究了一種受麥克斯韋方程隱藏對稱性保護(hù)的新型光學(xué)三重簡并態(tài)，也為拓?fù)淠軒Ш啿⒎矫娴难芯繋硪恍┧伎己蛦l(fā)。

一方面，文中所揭示的隱藏對稱性源于介電張量中不同分量的分?jǐn)?shù)周期性，該性質(zhì)反映了光子晶體的幾何屬性，不被傳統(tǒng)的空間群所涵蓋。因此發(fā)展包含這種隱藏對稱性的廣義空間群理論對研究光子系統(tǒng)具有重要意義。

另一方面，該工作使用的光子晶體結(jié)構(gòu)由單一的各向異性介電材料組成，但其能帶特性完全來自于材料內(nèi)部光軸的非平凡周期旋轉(zhuǎn)。雖然最近的研究表明，通過控制介電極化的方向可以實現(xiàn)人工規(guī)范場、Pancharatnam-Berry 幾何相位和人工自旋軌道相互作用，但目前對各向異性介質(zhì)光子晶體的能帶拓?fù)湫再|(zhì)的研究還很少。

該研究結(jié)果表明，材料的內(nèi)稟各向異性具有結(jié)構(gòu)各向異性不可替代的特征，因此各向異性介質(zhì)，如液晶等，為實現(xiàn)電磁場特有拓?fù)湫?yīng)提供了新的平臺。

責(zé)任編輯：PSY