二维材料光电科技国际合作联合实验室范滇元院士团队在《Science》上发表理想外尔点和螺旋表面态最新实验成果

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。

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图1理想外尔系统的结构和能带

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。

 

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图2体态和螺旋表面态的实验观测

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

 

二维材料光电科技国际合作联合实验室介绍:

深圳大学“二维材料光电科技国际合作联合实验室”由范滇元院士团队筹备于2014年,并于2016年11月获教育部批准立项成立。该实验室面向国际光电科技前沿,开展协同创新,服务国家战略需求;以二维原子晶体等新型材料的研究和开发为特色,力争发展新一代光电器件及系统的基础研究和应用开发。目前,实验室拥有新建成的功能完善、配套齐全的现代化实验楼,具有非线性及超快光学、大功率激光、材料制备、光谱分析及器件性能测试等多个专业实验室,总体实验室面积为8200平方米,包括1200平方米的超净实验室。该中心凝聚了深圳大学光电工程学院、新加坡国立大学(NUS)、美国罗格斯大学材料科学与工程系等知名高校在本学科和相关学科的优势力量和资源,将建设成为一个全球开放的研究平台,做出国际领先的一流研究成果。

课题组介绍:

先进材料光子学实验室LAMPs现有固定成员3名:项元江副教授、戴小玉副教授和张霜教授(访问教授,英国伯明翰大学教授)。研究方向主要包括拓扑物理学、超材料/二维材料(石墨烯、黑磷、二硫化钼、拓扑绝缘体等)纳米光子学,超材料/二维材料与表面等离子激元,超材料/二维材料非线性光学等,希望开发出高性能的新型光学传感器、吸收器、调制器以及全光开关等器件。

张霜:深圳大学访问教授,1993年于中国吉林大学获学士学位,1999年于美国东北大学获硕士学位,2005于新墨西哥大学获博士学位。2005年12月至2006年8月在伊利诺伊大学香槟分校从事博士后研究工作。2006年8月至2010年3月在加州大学伯克利分校从事博士后研究工作,后评为研究助理工程师,2010年3月至伯明翰大学工作2013年被评为教授.张霜教授已经在Nature, Nature Physics, Nature Materials, Nature Communications等期刊上发表文章100余篇,荣获国际纯物理与应用物理联合会(IUPAP)光学领域2012年度杰出青年科学家奖,2016年荣获皇家学会沃尔夫森研究绩效奖,并且成为美国光学协会成员.张霜教授从事的见光波段的隐身工作被评为2010年光学领域的十大突破,被《发现》杂志评为2011年前100个故事,并被大量媒体诸如英国广播公司新闻频道,英国每日电讯报,4频道等报导。

项元江:先进材料光子学实验室负责人,副教授,2014年6月至今在深圳大学工作,深圳市海外高层次人才“孔雀计划B类”人才。2008年3月-2009年3月在美国普渡大学从事访问学者研究,2009年9月至2014年6月,在湖南大学物理与微电子科学学院工作,2013年10月获得副教授职称,2013年12月-2014年3月在新家坡南洋理工大学从事博士后研究工作。2014年获得湖南省优秀博士论文。主要研究方向为光与电磁波的传输与控制、石墨烯光子学,以第一作者或通信作者在美国物理学会和研究所系列刊物(Physicla Review Letters、Physical Review A、Physical Review E、Applied Physics Letters和Journal of Applied Physics),美国光学学会系列刊物(Optics Letters、Optics Express和Journal of the Optical Society of America A(B)),Advanced Optical Materials等国际重要刊物上发表SCI论文100余篇,论文被引1800余次,H-因子24。近五年,主持国家自然科学基金1项,国家重大专项课题3项,孔雀计划B类项目1项,广东省自然科学基金一项,深圳市科创委项目1项,参与国家自然科学基金项目5项。

(科学技术部  供稿)