[论文解读] Observing half and integer polarization vortices at band degeneracies

Ang Chen, Wenzhe Liu+7 more|arXiv (Cornell University)|Dec 26, 2017

Advanced Fiber Laser Technologies参考文献 1被引用 3

一句话总结

该论文通过偏振分辨动量空间成像，实验展示了在等离子体结构的光子能带简并点处的整数和半电荷偏振涡旋，追踪了从C₄v到C₂v对称性破缺过程中涡旋的演化。结果证实，在二次简并点处的单个整数涡旋（-1）在狄拉克点处分裂为两个半涡旋（各-1/2），拓扑电荷守恒。

ABSTRACT

Far-field polarization vortices were recently found on singlet bands in the momentum-space of two-dimensional photonic lattices, also known as the dark states and bound states in continuum. Here, we theoretically proposed and experimentally verified the existence of the polarization vortices at the degenerate points of photonic dispersions, whose vortex cores can be radiative bright states. Half-charged vortices were generated from the Dirac points of π Berry phase and integer-charged vortices were generated from a quadratic degeneracy. Using a home-made polarization-resolved momentum-space imaging spectroscopy, we observed the complete evolution of the splitting from one quadratic point to a pair of Dirac cones by tracking the winding of the polarization vectors and the full spectrum of iso-frequency contours.

研究动机与目标

• 研究光子能带简并点（特别是二次简并和狄拉克简并）处偏振涡旋的存在性及其拓扑性质。
• 探讨对称性破缺如何使单个整数涡旋转变为两个半涡旋，并验证拓扑电荷守恒。
• 实验观测并表征简并态下动量空间中远场偏振矢量的旋向性。
• 建立贝里相位（狄拉克点为π，二次点为0/2π）与偏振涡旋拓扑电荷之间的直接联系。
• 证明此前在涡旋研究中被忽视的简并态，会呈现出具有独特拓扑指纹的特征偏振涡旋结构。

提出的方法

• 采用自制的偏振分辨动量空间成像光谱系统，绘制布里渊区内的等频率轮廓和偏振矢量分布。
• 通过调节孔洞长宽比（l/w），调控等离子体结构的对称性（C₄v至C₂v），实现从二次简并到线性简并的可控转变。
• 测量消光光谱，并将12条等频率轮廓在波长范围内叠加，以提高信噪比并揭示涡旋拓扑结构。
• 分析偏振分辨消光图：暗区表示偏振方向与分析器正交，揭示旋转的暗区图案，从而可视化涡旋的旋向性。
• 通过旋转偏振片追踪暗区图案的旋转，以确定拓扑电荷（例如，-1/2涡旋需偏振片旋转π完成2π旋转，-1涡旋需旋转2π）。
• 对C₄v和C₂v对称性下的能带结构和偏振图进行理论建模，以与实验观测结果对比。

实验结果

研究问题

• RQ1 偏振涡旋是否可能存在于光子能带简并点？其拓扑电荷为何？
• RQ2 偏振涡旋的拓扑电荷如何与底层能带简并的贝里相位相关联？
• RQ3 当C₄v对称性的二次简并点在对称性降低下分裂为一对狄拉克点时，其偏振涡旋会发生什么变化？
• RQ4 在简并点处涡旋分裂过程中，拓扑电荷是否守恒？
• RQ5 能否通过偏振分辨动量成像实验可视化并量化远场偏振矢量的旋向性？

主要发现

• 在C₄v对称性的二次简并点（Γ点）处，实验观测到单个拓扑电荷为-1的整数涡旋，通过旋转偏振片时暗条纹完成2π旋转得到验证。
• 对称性破缺为C₂v后，-1涡旋分裂为两个电荷各为-1/2的半涡旋，表现为两条旋转的暗径向条纹，其在偏振片旋转π时完成2π旋转，证据确凿。
• 实验观测到从-1电荷涡旋分裂为两个-1/2电荷涡旋，证实了从二次简并到线性简并转变过程中拓扑电荷守恒。
• 在狄拉克点（C₂v对称性）处的偏振涡旋携带半整数电荷（-1/2），与狄拉克锥的非平庸π贝里相位一致。
• 在二次简并点（C₄v对称性）处的偏振涡旋携带整数电荷（-1），对应于平凡的0或2π贝里相位。
• 偏振分辨图中的旋转暗区图案为涡旋旋向提供了直接且直观的可视化，其形状、旋转速度和方向可揭示拓扑电荷。