注：本文由論文作者供稿

光學(xué)狄拉克錐是一種特殊的線(xiàn)性能帶簡(jiǎn)并態(tài)，普遍存在于各種二維光子晶體（名詞解釋?zhuān)?/span>光子晶體）中。通過(guò)引入空間反演對(duì)稱(chēng)性破缺，光學(xué)狄拉克錐會(huì)發(fā)生退簡(jiǎn)并從而過(guò)渡至能谷態(tài)（圖1（a）） ，這種光子晶體被稱(chēng)為能谷光子晶體。

能谷光子晶體的帶隙中存在受能谷保護(hù)的邊界態(tài)，目前已經(jīng)在 SOI 光子晶體平板中得到了驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)了急彎波導(dǎo)、微腔激射等微納光子集成器件。

圖1：（a）二維系統(tǒng)中的狄拉克錐和能谷態(tài)的能帶示意圖；
（b）：三維系統(tǒng)中的節(jié)線(xiàn)環(huán)和能脊態(tài)的能帶示意圖。

相對(duì)應(yīng)的，光學(xué)節(jié)線(xiàn)環(huán)是一種存在于三維結(jié)構(gòu)的能帶簡(jiǎn)并態(tài)，它在能帶中表現(xiàn)為一個(gè)閉合的圓環(huán)。通過(guò)引入對(duì)稱(chēng)性破缺，節(jié)線(xiàn)環(huán)可以過(guò)渡至能脊態(tài)（圖1（b））。

相比于能谷態(tài)，能脊態(tài)具有更豐富的光學(xué)行為，如電磁波負(fù)折射、表面結(jié)構(gòu)依賴(lài)的古斯–漢森位移等。然而，復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)不利于上述行為在更高光頻段實(shí)現(xiàn)，甚至進(jìn)一步獲得新型功能性光子器件。為此，能否用簡(jiǎn)單的光學(xué)結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)能脊態(tài)，成為該領(lǐng)域迫切需要解決的問(wèn)題。

鑒于此，近日，來(lái)自中山大學(xué)物理學(xué)院、光電材料與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室董建文教授、陳文杰教授、陳曉東副教授的研究團(tuán)隊(duì)用簡(jiǎn)單的全介質(zhì)一維光子晶體，實(shí)現(xiàn)了理想的光學(xué)節(jié)線(xiàn)環(huán)簡(jiǎn)并態(tài)和能脊態(tài)，并實(shí)驗(yàn)證實(shí)了能脊光子晶體帶隙中的表面態(tài)。

該研究成果以"Ideal Nodal Rings of One-Dimensional Photonic Crystals in the Visible Region"為題在線(xiàn)發(fā)表在 Light: Science & Applications。中山大學(xué)是獨(dú)立完成單位，論文第一作者是鄧偉民博士后，通訊作者是陳文杰教授和董建文教授。

這項(xiàng)工作的研究亮點(diǎn)包括以下三方面：

1、 一維節(jié)線(xiàn)環(huán)光子晶體

一般認(rèn)為，一維光子晶體只能實(shí)現(xiàn)一維動(dòng)量空間中的拓?fù)鋺B(tài)。節(jié)線(xiàn)環(huán)是三維動(dòng)量空間中的能帶簡(jiǎn)并態(tài)，似乎不可能用一維光子晶體實(shí)現(xiàn)。研究團(tuán)隊(duì)研究了由二氧化硅和氮化硅材料組成的一維光子晶體（圖2（a）），創(chuàng)造性地將非周期方向的動(dòng)量考慮進(jìn)來(lái)，巧妙地利用面內(nèi)的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)性，最終設(shè)計(jì)出理想的節(jié)線(xiàn)環(huán)能帶（圖2（b））。研究團(tuán)隊(duì)使用電感耦合等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積方法（ICP-CVD）制備了樣品，測(cè)量出500-1100 nm波段的角分辨反射譜，證實(shí)了節(jié)線(xiàn)環(huán)的存在（圖2（c））。

圖2：一維光子晶體中理想的節(jié)線(xiàn)環(huán)能帶。
（a）：節(jié)線(xiàn)環(huán)光子晶體示意圖；
（b）：節(jié)線(xiàn)環(huán)能帶；
（c）：節(jié)線(xiàn)環(huán)光子晶體的角分辨反射譜。

2、 一維能脊光子晶體

進(jìn)一步，研究團(tuán)隊(duì)將上述節(jié)線(xiàn)環(huán)光子晶體原胞中的一層氮化硅材料（n=2）替換為富硅氮化硅（n=3），從而打破了結(jié)構(gòu)的空間反演對(duì)稱(chēng)性。（如圖3（a））。

此時(shí)，無(wú)帶隙的節(jié)線(xiàn)環(huán)簡(jiǎn)并會(huì)過(guò)渡到有帶隙的能脊態(tài)。他們把這種光子晶體稱(chēng)為能脊光子晶體。

與能谷光子晶體類(lèi)似，計(jì)算結(jié)果表明在原本節(jié)線(xiàn)環(huán)的位置附近形成了環(huán)流狀的貝利磁通，這意味著該帶隙中存在受拓?fù)浔Ｗo(hù)的界面態(tài)（圖3（c））。

結(jié)合前期開(kāi)發(fā)的低損耗富硅氮化硅薄膜生長(zhǎng)工藝，研究團(tuán)隊(duì)制備出一維能脊光子晶體，并測(cè)量600-1100 nm波段的角分辨反射譜，在實(shí)驗(yàn)上觀(guān)測(cè)到界面態(tài)（圖3（d））。

圖3：能脊光子晶體及其拓?fù)浣缑鎽B(tài)。
（a）：能脊光子晶體的周期單元示意圖；
（b）：打開(kāi)節(jié)線(xiàn)環(huán)簡(jiǎn)并后的能脊態(tài)。
（c）和（d）：帶隙中拓?fù)浣缑鎽B(tài)色散曲線(xiàn)的（c）模擬和（d）實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

3、光學(xué) Tamm 態(tài)與節(jié)線(xiàn)環(huán)的內(nèi)在聯(lián)系

本世紀(jì)初，人們發(fā)現(xiàn)在一維光子晶體和金屬的界面處可能存在的一種表面態(tài)，稱(chēng)之為光學(xué) Tamm 態(tài)。

在該工作中，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)節(jié)線(xiàn)環(huán)簡(jiǎn)并處剛好是光子晶體反射相位的奇點(diǎn)，這使得光學(xué) Tamm 態(tài)的存在條件總是可以得到滿(mǎn)足。因此，在金屬和節(jié)線(xiàn)環(huán)光子晶體的界面處必然會(huì)存在由相位奇點(diǎn)保護(hù)的光學(xué) Tamm 態(tài)，這為確定性指出并設(shè)計(jì)光學(xué)Tamm 態(tài)提供了理論指導(dǎo)。

研究團(tuán)隊(duì)使用電子束蒸發(fā)方法在一維節(jié)線(xiàn)環(huán)光子晶體表面鍍上一層銀膜，通過(guò)測(cè)量 600-1000 nm波段的角分辨反射譜證實(shí)了光學(xué) Tamm 態(tài)的存在。

圖4：節(jié)線(xiàn)環(huán)光子晶體的Tamm表面態(tài)。
（a）：一維光子晶體與銀的界面示意圖。
（b）和（c）：光學(xué)Tamm態(tài)色散曲線(xiàn)的（b）模擬和（c）實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

研究人員利用簡(jiǎn)單的全介質(zhì)一維光子晶體實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜的節(jié)線(xiàn)環(huán)和能脊態(tài)，為在光學(xué)波段實(shí)現(xiàn)表面態(tài)的負(fù)折射、表面結(jié)構(gòu)依賴(lài)的古斯–漢森位移等光學(xué)現(xiàn)象提供了基礎(chǔ)。此外，通過(guò)引入其他類(lèi)型的對(duì)稱(chēng)性破缺，節(jié)線(xiàn)環(huán)也可以過(guò)渡至外爾點(diǎn)簡(jiǎn)并。

該工作提出的一維節(jié)線(xiàn)環(huán)光子晶體為探索外爾點(diǎn)及其相關(guān)的拓?fù)浔砻鎽B(tài)在微納光學(xué)中的應(yīng)用提供了可能。

| 論文信息 | 

Deng, WM., Chen, ZM., Li, MY. et al. Ideal nodal rings of one-dimensional photonic crystals in the visible region. Light Sci Appl 11, 134 (2022). https://doi.org/10.1038/s41377-022-00821-9

監(jiān)制 | 趙陽(yáng)

編輯 | 趙唯

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