[论文解读] Observation of Weyl point pair annihilation in a gyromagnetic photonic crystal

Gui-Geng Liu, Zhen Gao+10 more|arXiv (Cornell University)|Jun 3, 2021

Topological Materials and Phenomena参考文献 28被引用 4

一句话总结

本研究通过调节外加磁场，在微波尺度的旋磁光子晶体中实验演示了外尔点对的湮灭，证实了从外尔半金属相到三维陈绝缘体的相变。利用精确的场分布测绘技术，研究人员观察到费米弧表面态演化为具有能隙的拓扑表面态，为此前未观测到的拓扑相变提供了直接证据。

ABSTRACT

Weyl semimetals are gapless three-dimensional (3D) phases whose bandstructures contain Weyl point (WP) degeneracies. WPs carry topological charge and can only be eliminated by mutual annihilation, a process that generates the various topologically distinct 3D insulators. Time reversal (T) symmetric Weyl phases, containing a minimum of four WPs, have been extensively studied in real materials, photonic metamaterials, and other systems. Weyl phases with a single WP pair - the simplest configuration of WPs - are more elusive as they require T-breaking. Here, we implement a microwave-scale gyromagnetic 3D photonic crystal, and use field-mapping experiments to track a single pair of ideal WPs whose momentum space locations depend strongly on the biasing magnetic field. By continuously varying the field strength, we observe the annihilation of the WPs, and the formation of a 3D Chern insulator, a previously unrealised member of the family of 3D topological insulators (TIs). Surface measurements show, in unprecedented detail, how the Fermi arc states connecting the WPs evolve into TI surface states.

研究动机与目标

• 在光子系统中实现并观测具有单一外尔点对的最小外尔半金属相。
• 通过外加磁场在三维光子晶体中实现时间反演对称性破缺。
• 通过外尔点的受控湮灭，观测从外尔半金属到三维陈绝缘体的拓扑相变。
• 在湮灭过程中测绘表面态从费米弧到具有能隙的拓扑表面态的演化过程。

提出的方法

• 设计并制备了具有外加磁场偏置下可调外尔点位置的三维旋磁光子晶体。
• 实施微波尺度的场分布测绘实验，以测量动量空间中的电磁模式。
• 采用磁质偏置系统连续调节外尔点位置，并观测其湮灭过程。
• 应用表面测量技术，追踪相变过程中拓扑表面态的演化。
• 分析能带结构和拓扑不变量，以确认三维陈绝缘体相的出现。
• 将实验数据与理论模型进行对比，以验证所观测相变的拓扑本质。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在时间反演对称性破缺的光子晶体中实验实现并操控单对外尔点？
• RQ2 当三维拓扑系统中外尔点对湮灭时，费米弧表面态会发生什么变化？
• RQ3 能否在光子系统中直接观测到从外尔半金属到三维陈绝缘体的相变？
• RQ4 外尔点湮灭过程中，拓扑表面态如何演化？
• RQ5 磁场调节在控制光子晶体中拓扑相变的过程中起什么作用？

主要发现

• 随着外加磁场的调节，单对外尔点对被连续观测到湮灭，证实了拓扑相变的发生。
• 外尔点的湮灭导致形成了一种此前未实现的三维陈绝缘体，成为三维拓扑绝缘体家族的新成员。
• 表面测量结果表明，连接外尔点的费米弧态在湮灭后演化为具有能隙的拓扑表面态。
• 外尔点在动量空间中的位置强烈依赖于所施加的磁场，实现了精确控制。
• 实验数据与理论预测的拓扑相变及表面态演化高度一致。
• 本研究首次在光子系统中直接观测到外尔点对的湮灭，验证了长期存在的理论预期。