[论文解读] Symmetry-Guaranteed and Accidental Nodal-Line Semimetals in FCC Lattice

Takuto Kawakami, Xiao Hu|arXiv (Cornell University)|Nov 22, 2016

Photonic Crystals and Applications被引用 3

一句话总结

本文展示了，介电球体的面心立方（fcc）晶格可在动量空间中支持由对称性保护的和偶然的节点线（NL），从而产生拓扑保护的鼓槌形表面态，显著减缓光速。这些节点线的出现解释了先前观测到的光子假带隙现象，并为实验验证一种新型拓扑光子态提供了路径。

ABSTRACT

Light cone with the speed of light independent of its wavelength in vacuum has been known for long time. In the present work, we unveil that in a face-centered-cubic (fcc) lattice of dielectric spheres novel light cones can be created over closed loops in momentum space, dubbed as nodal lines (NL), and that as a consequence of the nontrivial topology of NL interface states with a drumhead-shaped band structure appear where light can be slowed down significantly. We discuss that photonic pseudogaps found in previous experimental and theoretical studies for fcc photonic crystals are consistent with the present finding of NL. This offers a unique chance to confirm the existence of NL as a novel topological state.

研究动机与目标

• 基于对称性和拓扑性质，识别并分类面心立方（fcc）光子晶格中的节点线。
• 从节点线形成的角度，解释先前实验和理论研究中观测到的光子假带隙的成因。
• 建立拓扑节点线与光子系统中鼓槌形表面态出现之间的联系。
• 提供一个理论框架，以实现对光子晶体中节点线半金属的实验验证。

提出的方法

• 使用从头算光子能带理论分析介电球体fcc晶格的能带结构。
• 将节点线识别为动量空间中因对称性保护和偶然交叉而发生光子能带简并的闭合环路。
• 利用拓扑不变量和对称性分析，区分对称性保证的节点线与偶然节点线。
• 通过表面模态计算映射表面态，揭示鼓槌形色散特征。
• 将观测到的节点线拓扑结构与先前研究中光子假带隙的存在相关联。
• 通过与现有fcc光子晶体的实验和理论数据的一致性检验，验证理论预测。

实验结果

研究问题

• RQ1 在fcc光子晶格中，可能涌现出哪种类型的节点线——对称性保证的还是偶然的？
• RQ2 fcc晶格中的节点线如何导致具有鼓槌形色散的拓扑保护表面态？
• RQ3 为何在fcc光子晶体中观测到的光子假带隙与节点线的存在相关？
• RQ4 能否通过其独特的光子响应，实验确认fcc晶格中节点线的存在？
• RQ5 拓扑在塑造这些光子系统的光限制和慢光特性中起到何种作用？

主要发现

• fcc晶格中介电球体的节点线在动量空间中形成闭合环路，导致拓扑保护的鼓槌形表面态。
• 表面态表现出与强光限制和显著群速度降低一致的平坦色散特征。
• 对称性保证的节点线与偶然节点线共存于fcc晶格中，前者由晶体系点群对称性稳定。
• 先前研究中观测到的光子假带隙可由节点线的存在加以解释，为实验观测提供了统一的诠释。
• 理论框架建立了节点线拓扑与可测量的光子现象（如慢光和表面态形成）之间的直接联系。
• 研究结果为通过探测鼓槌形表面模态，实验验证光子系统中的节点线半金属提供了明确路径。