[论文解读] Observation of Quadratic (Charge-2) Weyl Point Splitting in Near-Infrared Photonic Crystals

Christina Jörg, Sachin Vaidya+5 more|arXiv (Cornell University)|Jun 22, 2021

Topological Materials and Phenomena参考文献 42被引用 27

一句话总结

该论文通过在微米级3D打印近红外光子晶体中引入几何缺陷，实验上展示了二次（电荷-2）外尔点分裂为两个线性（电荷-1）外尔点。通过在手性木pile结构中受控地破坏螺旋对称性，作者在动量空间的高对称方向上观察到拓扑保护的外尔点分裂，该结果通过傅里叶变换红外光谱和基于对称性的理论分析得到证实。

ABSTRACT

Weyl points are point degeneracies that occur in momentum space of periodic materials, and are associated with a quantized topological charge. We experimentally observe in a 3D micro-printed photonic crystal that a charge-2 Weyl point can be split into two charge-1 Weyl points as the protecting symmetry of the original charge-2 Weyl point is broken. Moreover, we use a theoretical analysis to confirm where the charge-1 Weyl points move within the Brillouin zone as the strength of the symmetry breaking increases, and confirm it in experiments using Fourier-transform infrared spectrometry. This micro-scale observation and control of Weyl points is important for realizing robust topological devices in the near-infrared.

研究动机与目标

• 在三维光子晶体中实验观测二次（电荷-2）外尔点分裂为两个线性（电荷-1）外尔点。
• 研究对称性破缺——特别是螺旋对称性的降低——在实现可控外尔点分裂中的作用。
• 通过调节光子晶体结构的几何参数，实现对外尔点在动量空间分离的控制。
• 通过贝里相位测量和对称性分析，验证外尔点的拓扑性质。
• 建立一个微米尺度、近红外波段的平台，用于可调谐、拓扑保护的外尔点，以支持器件应用。

提出的方法

• 使用双光子聚合技术制备手性木pile光子晶体，晶格常数为2.1 µm，介电常数ε = 2.31。
• 在单元胞的一个层中引入宽度缺陷（w0 ≠ w），以破坏P4222空间群并使对称性降低至P222。
• 利用傅里叶变换红外（FTIR）光谱测量角度分辨透射光谱，以确定外尔点位置。
• 通过群论和对称性分析进行理论建模，预测布里渊区中高对称线上的分裂方向。
• 通过RCWA和MPB的数值模拟计算体带结构，并与实验数据进行比较。
• 对外尔能带结构进行贝里相位分析，以确认拓扑电荷：二次外尔点（电荷-2）为双重绕数，线性外尔点（电荷-1）为单重绕数。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在三维光子晶体中实验观测到二次（电荷-2）外尔点分裂为两个线性（电荷-1）外尔点？
• RQ2 对称性破缺后，外尔点在动量空间的分裂方向受何种对称性约束？
• RQ3 如何通过调节光子晶体结构的几何参数来控制分裂后线性外尔点的分离？
• RQ4 能否通过贝里相位测量实验确认外尔点的拓扑性质？
• RQ5 在微米尺度、近红外波段的光子晶体中，实现可调谐、拓扑保护的外尔点是否可行？

主要发现

• 在原始手性木pile结构（P4222空间群）的Γ点处的二次外尔点，在某一单胞层中引入宽度缺陷后，分裂为两个线性外尔点。
• 分裂仅沿动量空间的高对称方向（如Γ–Y）发生，与P222空间群的对称性分析预测一致。
• 实验FTIR光谱显示出外尔点形成的清晰特征：在对应频率处出现尖锐的透射谷，且动量空间分离可通过几何参数调节。
• 贝里相位测量证实了拓扑电荷：原始Γ点处为双重绕数（电荷-2），两个分裂点处各为单重绕数（电荷-1）。
• 两个线性外尔点之间的动量空间分离随宽度失配量（w0 − w）的增加而增大，表明实现了几何控制。
• 观测到的外尔点分裂在多个制备样品中均表现出鲁棒性和可重复性，证实了对称性破缺在实现拓扑控制中的关键作用。