[论文解读] Optical interface states protected by synthetic Weyl points

Qiang Wang, Meng Xiao+3 more|arXiv (Cornell University)|Aug 17, 2017

Topological Materials and Phenomena参考文献 50被引用 12

一句话总结

本文首次在具有四层单元胞的光子晶体中，通过合成外尔点实现了受拓扑保护的光学界面态的实验实现。通过在参数空间中设计光子能带结构以容纳广义外尔点，作者首次实验验证了反射相位涡旋的存在，这些涡旋拓扑上保证了光子晶体与反射基底之间的鲁棒界面态。

ABSTRACT

Weyl fermions have not been found in nature as elementary particles, but they emerge as nodal points in the band structure of electronic and classical wave crystals. Novel phenomena such as Fermi arcs and chiral anomaly have fueled the interest in these topological points which are frequently perceived as monopoles in momentum space. Here we report the experimental observation of generalized optical Weyl points inside the parameter space of a photonic crystal with a specially designed four-layer unit cell. The reflection at the surface of a truncated photonic crystal exhibits phase vortexes due to the synthetic Weyl points, which in turn guarantees the existence of interface states between photonic crystals and any reflecting substrates. The reflection phase vortexes have been confirmed for the first time in our experiments which serve as an experimental signature of the generalized Weyl points. The existence of these interface states is protected by the topological properties of the Weyl points and the trajectories of these states in the parameter space resembles those of Weyl semimetal "Fermi arcs surface states" in momentum space. Tracing the origin of interface states to the topological character of the parameter space paves the way for a rational design of strongly localized states with enhanced local field.

研究动机与目标

• 通过合成外尔点在光子系统中演示拓扑保护的光学界面态的存在。
• 设计具有四层单元胞的光子晶体，以在参数空间中容纳广义外尔点。
• 通过实验验证反射相位涡旋作为这些合成外尔点的特征信号。
• 建立强局域化光学态与增强局域场的拓扑设计原理。
• 在光子外尔点与外尔半金属中的费米弧表面态之间建立类比关系。

提出的方法

• 设计具有四层单元胞的光子晶体，以在结构几何参数空间中实现可调谐的外尔点。
• 通过理论建模光子能带结构，识别对应于合成外尔费米子的节点点。
• 数值模拟截断晶体表面的反射相位响应，以检测相位涡旋。
• 通过实验测量反射相位分布，确认外尔点周围相位涡旋的存在。
• 通过其对结构扰动的鲁棒性，对界面态进行拓扑表征。
• 在参数空间中绘制界面态轨迹，使其在动量空间中类似于费米弧路径。

实验结果

研究问题

• RQ1 在光子晶体中，光学界面态能否通过合成外尔点实现拓扑保护？
• RQ2 在包含合成外尔点的截断光子晶体表面，是否会出现反射相位涡旋，从而作为实验特征信号？
• RQ3 参数空间中界面态的轨迹与外尔半金属中的费米弧轨迹相比如何？
• RQ4 由于其拓扑起源，界面态在多大程度上能抵抗结构无序？
• RQ5 能否通过工程设计光子晶体的参数空间，以容纳支持鲁棒、局域光学模式的广义外尔点？

主要发现

• 首次在光子晶体中实验观测到反射相位涡旋，证实了参数空间中广义外尔点的存在。
• 光子晶体与任何反射基底之间的界面态由合成外尔点拓扑保护，确保其鲁棒性。
• 界面态在参数空间中的轨迹与外尔半金属中观测到的费米弧表面态高度相似。
• 系统在外尔点周围表现出量化相位缠绕，直接将拓扑不变量与相位涡旋结构联系起来。
• 即使在结构形变下，界面态仍保持局域化和稳定，证明了其拓扑保护特性。
• 实验结果验证了理论预测：通过光子系统中的合成外尔点可工程化实现拓扑界面态。