能谷光子晶体中的赝自旋和拓扑调控

中山大学董建文教授与加州大学伯克利分校张翔教授合作，理论设计了能谷光子晶体，获得了新型能谷-赝自旋相互作用，并实现了赝自旋和拓扑调控。

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2016年，诺贝尔物理学奖授予了三位物理学家，以表彰他们在拓扑相变和拓扑物态的理论研究方面做出的卓越贡献。

近年来，拓扑概念在物理学中大放异彩，其应用更是延伸至光学领域，新型光拓扑相被找寻到，其边界上的无带隙界面态也得到了证明。这种界面态中光的赝自旋（人工构造的新型自由度，类似于电子自旋）和传播方向是关联的（即赝自旋-路径锁定），使得具有不同赝自旋的光能量沿着不同方向传播。

拓扑光学体系界面的这种类量子化电磁关联行为，为探索新型光传输、实现精确光场调控如单向抗散射传输、光延迟线、光学外尔点、拓扑量子计算、非线性光学、拓扑信息学等领域和学科发展带来新的契机。一般认为，这种关联行为要求体系具有非平庸属性。能否在普通体系中实现关联行为,放宽拓扑非平庸这一严苛条件，进而获得新的拓扑光子态，是目前一个重要的学术前沿问题。

“要解决这个问题，关键是引入新的相互作用形式”，中山大学董建文教授说到。受电子能谷自由度能实现电子高效传输的启发，董建文教授团队与加州大学伯克利分校张翔教授课题组合作，通过构建能谷光子晶体（图1），获得了新型能谷-赝自旋相互作用，并实现了赝自旋和拓扑调控。相关工作发表在Nature Materials [16, 298 (2017)]上。

图1 能谷光子晶体示意图

该能谷光子晶体具有电磁对偶对称性，在空间反演破缺的条件下，由于能谷-赝自旋相互作用实现了能谷附近的能带劈裂，支持光学赝自旋-路径关联传输，即光学能谷霍尔效应，如图2所示。电磁对偶能谷光子晶体具有一对孪生赝自旋，其中赝自旋向上具有同相Ez和Hz，而赝自旋向下则对应反相Ez和Hz。

当光源从顶端入射到能谷光子晶体时，沿左下方能谷K传输的是赝自旋向下能流，而沿右下方能谷K’传输的是赝自旋向上能流。需要说明的是，该能谷光子晶体的所有拓扑不变量均为0，表明该系统的确是拓扑平庸的。至此，利用其内禀的能谷自由度以及新型能谷-赝自旋相互作用，他们证明了拓扑平庸体系中的光学能谷霍尔效应，获得了赝自旋-路径关联行为。