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物理所在拓?fù)涔庾泳w中發(fā)現(xiàn)理想外爾點(diǎn)和節(jié)線鎖 另外，弧狀表面態(tài)是鑒定外爾材料的一個重要特征，但這只是等能面的拓?fù)浔砻鎽B(tài)形狀，外爾點(diǎn)的全局表面態(tài)由物理所T03組特聘研究員方辰理論指出是一個定義在二維布里淵區(qū)上的三維螺旋面，其旋轉(zhuǎn)的奇點(diǎn)即為Weyl點(diǎn)在表面的投影（Nat. Phys. 12, 936），而目前人們只從實(shí)驗上觀測到了費(fèi)米弧，整體的三維空間螺旋表面態(tài)還未在實(shí)驗上證實(shí)。 陸凌于2016年從MIT回到物理所工作，作為光物理實(shí)驗室L01組組長與副研究員劉榮鵑、博士生閻清暉、T03組方辰，英國伯明翰大學(xué)教授張霜和博士生楊鏢、郭清華等合作，在拓?fù)?span onclick="sendmsg('pw_ajax.php','action=relatetag&tagname=光子晶體',this.id)" style="cursor:pointer;border-bottom: 1px solid #FA891B;" id="rlt_2">光子晶體中理論設(shè)計并實(shí)驗實(shí)現(xiàn)了理想的外爾點(diǎn)，而且得到了時間反演對稱性保護(hù)下最少個數(shù)的四個外爾點(diǎn)，同時也第一次完整地在實(shí)驗上觀測到外爾體系表面態(tài)的三維螺旋面結(jié)構(gòu)，該工作于2018年1月在線發(fā)表在《科學(xué)》雜志上，英國的團(tuán)隊在這項工作中做出了主要貢獻(xiàn)。 理想外爾點(diǎn)的光子晶體設(shè)計如圖1a左下角插圖所示，為互聯(lián)馬鞍型金屬結(jié)構(gòu)的原包，不但在倒空間中有四個等頻外爾點(diǎn)，而且其周圍沒有其他平庸能帶存在（圖1a）。在實(shí)驗上，他們通過測量角分辨的透射譜，從不同的角度測得該結(jié)構(gòu)的投影能帶，結(jié)果與理論計算的投影能帶一致（圖1c），從而驗證了理想外爾點(diǎn)的存在。外爾體系另外一個重要的拓?fù)涮卣鳛楸砻鎽B(tài)。如圖1b所示，此結(jié)構(gòu)的四個外爾點(diǎn)中相鄰的外爾點(diǎn)呈現(xiàn)不同的手性，連接體態(tài)的表面態(tài)呈現(xiàn)三維螺旋面結(jié)構(gòu)。進(jìn)一步掃描測量表面場，并對之進(jìn)行傅里葉變換，可得到不同頻率的體態(tài)和表面態(tài)的分布圖（圖1d）�？汕逦乜吹�，四個呈橢圓狀的體態(tài)沿對角線對稱分布，而表面態(tài)連接相鄰的具有相反拓?fù)浜傻捏w態(tài)，且隨著頻率呈連續(xù)的螺旋狀演化，因此證實(shí)此體系的表面態(tài)呈三維螺旋面結(jié)構(gòu)，與理論計算一致。至此，第一次從實(shí)驗上證實(shí)了關(guān)于螺旋表面態(tài)的預(yù)言。這一理想外爾點(diǎn)的發(fā)現(xiàn)，為研究外爾體系和設(shè)計新穎的拓?fù)淦骷峁┝死硐氲墓庾悠脚_，同時拓展了人們對外爾體系表面態(tài)的整體認(rèn)識。 外爾點(diǎn)的存在不需要任何對稱性條件，需要的是破缺時間和空間反演對稱性中的至少一個，所以在大部分有時間和空間反演對稱性的材料體系中，兩個能帶的線性簡并都不可能是外爾點(diǎn)，而是以線簡并的形式出現(xiàn)。與外爾點(diǎn)相比，線簡并可以有更加豐富的倒空間構(gòu)型，比如可形成如圖2所示的節(jié)線環(huán)（nodal ring）（圖2a）、節(jié)線鎖(nodal chain)（圖2b）、節(jié)線鏈(nodal link)（圖2c），以及節(jié)線結(jié)(nodal knot)（圖2d）等。目前，雖然有一些節(jié)線環(huán)的材料被報道，但是都不理想，而節(jié)線鎖、鏈、結(jié)還沒有相關(guān)實(shí)驗的報道。陸凌剛回國就和閻清暉及劉榮鵑開展了在光子晶體中實(shí)現(xiàn)節(jié)線鎖的實(shí)驗工作，并在理論上獲得了清華大學(xué)高等研究院研究員汪忠及其博士后嚴(yán)忠波的幫助，其他的合作人員L01組的聘用人員劉博遠(yuǎn)和浙江大學(xué)教授陳紅勝也都在此工作中作出了重要貢獻(xiàn)。 實(shí)際上，節(jié)線鎖和其他三類線簡并構(gòu)型不同，它需要除了空間時間反演之外的額外對稱性的保護(hù)，如鏡面或滑移對稱性。L01團(tuán)隊從理論上設(shè)計了如圖3a所示的金屬網(wǎng)狀的三維光子晶體，此結(jié)構(gòu)在倒空間中的能帶形成兩種不同的環(huán)狀線簡并，這兩種線簡并環(huán)連接環(huán)又進(jìn)一步構(gòu)成節(jié)線鎖結(jié)構(gòu)（圖3c）。實(shí)驗上，采用鋁合金材料，通過機(jī)械加工，逐層堆積得到金屬網(wǎng)三維光子晶體。然后通過角分辨透射譜的實(shí)驗測量，得到不同角度投影的體態(tài)色散曲線，與理論計算的不同角度的投影體態(tài)色散曲線一致（圖3d）。另外，節(jié)線材料的拓?fù)浔砻鎽B(tài)是一個鼓面，它起止于節(jié)線體態(tài)在表面的投影，即局限于節(jié)線的投影范圍內(nèi)。通過掃描表面電場的強(qiáng)度和相位，并做傅里葉變換，可以直接得到表面態(tài)的色散曲線，清晰地觀測到了呈現(xiàn)鼓面狀的表面態(tài)（圖3e），與理論計算一致。這一工作首次在實(shí)驗上實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜的節(jié)線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：節(jié)線鎖，為進(jìn)一步研究節(jié)線鎖材料的物性提供了實(shí)驗平臺，也為其他節(jié)線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)提供了思路和方法。 上述兩個工作都是在微波波段進(jìn)行，根據(jù)麥克斯韋方程的尺寸不變性，上面的結(jié)構(gòu)設(shè)計及相關(guān)計算和測試結(jié)果都可適用于電磁波的任何波段，因此，可擴(kuò)展的太赫茲波段、紅外和可見光波段，有利于在微波器件及各種光學(xué)元件設(shè)計中的應(yīng)用。 以上工作得到了來自科技部重點(diǎn)研發(fā)計劃2017YFA0303800, 2016YFA0302400，自然科學(xué)基金委11721404, 11674189, 61625502, 61574127以及青年千人計劃的資助。 論文鏈接：1 2   圖2 線簡并構(gòu)型分類，來自合作者汪忠的文章Phys. Rev. B 96, 201305R (2017)。  |
