[论文解读] Experimental observation of robust surface states on photonic crystals possessing single and double Weyl points

Wen-Jie Chen, Meng Xiao+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 15, 2015

Topological Materials and Phenomena被引用 6

一句话总结

该论文通过微波实验和数值模拟，实验验证了在具有单（电荷1）和双（电荷2）外尔点的光子晶体中存在鲁棒的表面态。结果证实了具有非零陈数的拓扑保护表面态，并展示了其对kz守恒散射的免疫性，验证了时间反演对称光子系统中类似外尔半金属行为的鲁棒性。

ABSTRACT

We designed and fabricated a time-reversal invariant Weyl photonic crystal that possesses single Weyl nodes with topological charge of 1 and double Weyl nodes with a higher topological charge of 2. Using numerical simulations and microwave experiment, nontrivial band gaps with nonzero Chern numbers for a fixed kz was demonstrated. The robustness of the surface state between the Weyl photonic crystal and PEC against kz-conserving scattering was experimentally observed.

研究动机与目标

• 设计并制造一种时间反演对称的光子晶体，其中同时包含具有不同拓扑电荷的单外尔点和双外尔点。
• 在该系统中实验观测对kz守恒散射具有鲁棒性的表面态。
• 确认在光子晶体中固定kz下存在具有非零陈数的非平凡能带隙。
• 验证具有高阶外尔节点（电荷2）的光子系统中表面态的拓扑鲁棒性。
• 通过微波尺度实验，将凝聚态物理中对外尔半金属的理论预测与可观测的光子类比相连接。

提出的方法

• 通过设计的晶格对称性和折射率调制，使光子晶体结构能够支持拓扑电荷为1（单外尔节点）和2（双外尔节点）的外尔点。
• 通过数值模拟计算能带结构和陈数，确认在固定kz下具有非平凡拓扑性。
• 通过制作的三维光子晶体样品进行微波实验，探测表面态及其鲁棒性。
• 实验装置通过测量透射特性和场分布，识别出位于外尔光子晶体与理想电导体（PEC）边界之间的界面处局域化的表面模式。
• 通过分析表面态对kz守恒散射过程的抗扰性，测试其鲁棒性，这是拓扑保护的关键特征。
• 基于有效哈密顿量和贝利曲率的理论分析，用于解释观测到的表面态及其拓扑不变量。

实验结果

研究问题

• RQ1 具有单外尔点和双外尔点的光子晶体是否能在实验条件下支持鲁棒表面态？
• RQ2 此类光子系统中的表面态是否表现出对kz守恒散射的拓扑保护？
• RQ3 拓扑电荷（1与2）在决定表面态的性质和鲁棒性方面起什么作用？
• RQ4 能否在固定kz下实验验证具有外尔节点的光子晶体中的非零陈数？
• RQ5 系统的时间反演对称性如何影响外尔点及其关联表面态的形成与稳定性？

主要发现

• 所制备的光子晶体成功支持了单外尔点（电荷1）和双外尔点（电荷2），并通过能带结构计算得到验证。
• 在固定kz下，数值模拟证明了具有非零陈数的非平凡能带隙，表明其具有非平凡拓扑性。
• 微波实验确认了位于外尔光子晶体与PEC边界之间的界面处存在鲁棒表面态。
• 表面态对kz守恒散射表现出强鲁棒性，证实了其拓扑保护特性。
• 即使在会导致普通态局域化的扰动下，表面态的实验观测依然持续存在，凸显其拓扑鲁棒性。
• 结果验证了外尔半金属行为的光子类比，将拓扑保护扩展至具有高阶外尔节点的系统。