我校范滇元院士团队在《Science》上发表最新实验成果

发布时间:2018-03-12

近期,我校范滇元院士团队与英国伯明翰大学张霜教授课题组合作,通过探索马鞍形状的光子晶体,在实验上首次观测到了理想的外尔系统。相关成果以题为“Ideal Weyl points and helicoid surface states in artificial photonic crystal structures”发表在国际顶尖期刊Science上。深圳大学博士后郭清华为论文共同第一作者,项元江副教授为论文的合作作者,英国伯明翰大学、深圳大学、University of Exeter和中科院物理所为论文共同第一单位。

组成物质世界的基本粒子分为玻色子和费米子;费米子包含三种,分别是狄拉克费米子、外尔费米子和马约拉纳费米子。自然界中普遍存在的是狄拉克费米子,外尔费米子和马约拉纳费米子是否存在,长期以来没有定论。

直到最近,人们才在凝聚态物质体系中分别观察到外尔费米子和马约拉纳费米子,它们都是电子在凝聚态结构约束下表现出来的元激发,是准粒子。外尔费米子最显著的特征是其色散关系上含外尔点。寻找外尔点一时成为多个物理分支(如光学、冷原子)的热门。

 

 

                                        1 理想外尔系统的结构和能带                       图2体态和螺旋表面态的实验观测

 

   

    理想的外尔系统是研究和开发很多有趣的拓扑特性以及实际应用的基础。然而到目前为止,还没有实验观测到理想的外尔系统。由于人工合成的周期性材料(如光子晶体、声子晶体)可具有类似于电子的能带结构,近年来研究者开始在经典波(如电磁波、声波)体系中探索拓扑态及其相关现象。这些自然界中不存在的人工材料具有更多的设计自由度,不仅为科学家提供了另一个更方便研究拓扑相的平台,也有助于拓扑态的概念应用到新型的光学器件中。

最近,英国伯明翰大学张霜教授课题组与深圳大学范滇元院士团队先进材料光子学课题组、University of Exeter和中科院物理合作,设计并制备了马鞍形状的光子晶体(图1A,B),观测到了理想的外尔系统,其中四个对称性保护的外尔点坐落在同一个频率,并且在这个频率周围没有其他能带干扰(图1C)。他们采用近场扫描的方法测量了该光子晶体的体态和表面态的分布情况(图2)。作为源的探针放在样品的底部,这样可以同时激发体态和表面态。测量的探针在样品的上表面扫描,可以得到近场的振幅和相位分布,然后通过傅里叶变换得到其动量空间的等频面分布情况。从图中的实验和仿真的对比中可以看到螺旋表面态的旋转情况。他们的发现对外尔拓扑态的研究提供了一个理想的平台。

这是范滇元院士团队继2017年在《物理评论快报》(Physical Review Letters)发表关于超材料三维光子狄拉克点和《自然·通讯》(Nature Communications)上发表关于拓扑超材料中光子费米弧的直接观测的相关研究后,又一篇关于拓扑物理方面的重要成果。由于光子晶体可具有宏观尺度,外尔光子晶体的实现把外尔物理从微观拓展到宏观,带来了实验制备与测量的方便性,既有利于拓扑物理的进一步发展,亦有利于拓扑物理早日走向应用。

该工作得到了国家自然科学基金基金的资助。原文链接:http://science.sciencemag.org/content/359/6379/1013