[论文解读] Strong optical nonreciprocity in a photonic crystal composed of spinning cylinders

Hengzhi Li, Wanyue Xiao+3 more|arXiv (Cornell University)|Mar 12, 2026

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一句话总结

论文在一个二维光子晶体中显示出强的光学非互易性，晶体由旋转介电圆柱组成，在布里渊区中心附近有手性QBICs和混合的多极模态，且通过旋转速度和斜入角实现可调的隔离。

ABSTRACT

Moving media break time-reversal symmetry and exhibit intriguing optical nonreciprocity. This nonreciprocity is usually weak due to the much lower moving speed of media relative to the speed of light. We demonstrate that strong optical nonreciprocity can emerge in a two-dimensional photonic crystal composed of spinning dielectric cylinders. The photonic crystal supports two types of chiral modes at the Brillouin zone center: hybridized multipole modes and symmetry-protected bound states in the continuum (BICs), both of which carry intrinsic spin angular momentum. For finite wavevectors near the zone center, the BICs transform into quasi-bound states in the continuum (QBICs). Under oblique incidence of circularly polarized plane waves, the photonic crystal exhibits nonreciprocal transmission and absorption that are significantly enhanced at the frequencies of these hybridized multipole modes and QBICs. Furthermore, the high quality factors of the QBICs enable sharp transitions in nonreciprocity. Our work uncovers strong chiral light-matter interactions in periodic moving structures, with potential applications in nonreciprocal light manipulation. The mechanism may also be generalized to other classical wave systems, such as phononic crystals.

研究动机与目标

• 通过旋转运动作为磁光或非线性方法的替代，激发破坏时间反演对称性。
• 探索旋转圆柱在二维光子晶体中如何引发双极各向异性(bianisotropy)与有效量子场（ gauged field ），
• 在布里渊区中心附近识别并表征手性连续带态（BICs）和准BICs（QBICs）。
• 展示在不同入射条件下，来自手性模态的增强非互易性与圆偏振二向性。

提出的方法

• 使用包含双各向异性和Tellegen型耦合的本构关系，对旋转介电圆柱组成的二维光子晶体进行建模。
• 应用多极展开发实现将本征模态分解为p、m、Qe和Qm分量，并追踪它们的对称性特征。
• 在有无旋转（Λ = Ωa/c）的条件下计算带结构和Q因子，并分析模态混成。
• 对圆偏振平面波的斜入射进行仿真，以观察非互易透射与QBIC诱导的共振现象。

实验结果

研究问题

• RQ1 旋转圆柱如何修改带结构并在Γ点附近诱导手性模态？
• RQ2 在旋转光子晶体中，QBICs与混合的多极模态在圆偏振光照下是否能够产生强烈的非互易透射和吸收？
• RQ3 斜入射与旋转速度在增强非互易性和圆偏振二向性方面的作用是什么？
• RQ4 高Q QBICs对非互易性的陡峭跃迁影响如何，与混合模态相比有何不同？
• RQ5 该机制是否可扩展至带损介质，甚至应用于其他波系统？

主要发现

• 旋转圆柱在布里渊区中心附近产生手性QBICs与手性混合多极模态，携带固有自旋角动量。
• 在斜入射的RCP/LCP下，这些模态实现显著的非互易透射与吸收，在混合多极模态与QBIC频率处得到增强。
• QBICs因其高Q因子而使非互易性具有尖锐且对比度高的跃迁，优于来自混合模态的更宽泛响应。
• 旋转打破简并，混合正交多极分量，产生具有相反自旋的非简并手性模态。
• 在有损圆柱中， forward 圆偏振光下的差分吸收显示出与QBIC和手性模态相关的圆偏振二向性；CD与非互易性相互相关。
• 本研究强调移动周期介质中的强手性光–物质相互作用，并暗示其可应用于其他波系统，如声子学。