光子类石墨烯结构中谷依赖波束输运及相关行为研究

Graphene's band structure has two degenerate and inequivalent valleys around Dirac points, at the corners of the Brillouin zone. The valley degree of freedom in graphene acts in much the same way as electron spin in spintronics, which might be used to design the devices based on graphene’s two valleys, referred to as valleytronics. In addition, spatially inhomogeneous strain introduced in graphene can deform the hexagonal Brillouin zone that makes the two valleys shift in opposite directions. With suitable deformation, the corresponding gauge-field vector potential can generate uniform pseudomagnetic fields. According to the new physical mechanisms, such as graphene based "valleytronics" and pseudomagnetic field, the aim of this project will systemically study novel physical phenomena related to the two inequivalent valleys of photonic graphene using microwave experiment platform. And then the transmission of valley-dependent photonic beams are effectively controlled by the wave-guided structures or artificial pseudomagnetic field. Furthermore, we will reconstruct the crystal lattice and band structure of the molybdenum disulfide under photonic system. At last, with the help of "photonic molybdenum disulfide", we will experimentally research the physical phenomena such as valley hall effect.

石墨烯能带在布里渊区拐角处的狄拉克点附近形成两个简并且不等价谷。 这种谷自由度类似于电子自旋可用来设计“谷” 相关器件，并已形成“谷电子学”学科。此外，石墨烯在外界应力作用下布里渊区会发生扭曲，从而使两个谷向相反方向移动。合适的机械应变会在石墨烯中产生均匀的赝磁场。针对基于石墨烯的“谷电子学”及人工赝磁场等新物理机制，本项目将借助微波实验平台系统研究与光子石墨烯中两个不等价的“谷”相关的新奇物理现象，进而利用谷依赖的导波结构或人工赝磁场有效地控制光子束的传输。在此基础上，我们还将在光子体系下重构电子体系中二硫化钼的晶格及能带结构，并进一步借助光子石墨烯或“光子二硫化钼”对谷霍尔效应等物理现象进行相应理论和实验研究。

光子石墨烯是晶格及能带结构与石墨烯极其相似的一类人工微结构材料。相比石墨烯而言，光子石墨烯在实验研究方面具有参数灵活可调等优势。因此，光子石墨烯为研究石墨烯相关的丰富物理提供了方便的实验平台。本项目研究内容主要有三点：第一，基于光子石墨烯能带三角扭曲效应，设计了谷依赖的电磁波束控制器。通过理论模拟与实验观察相结合，验证了有限尺度的光子石墨烯结构和光子晶体波导结构在谷依赖分束和准直方面可以兼容工作。并在此基础上设计了两种典型的谷相关滤波器及控制器模型。第二，通过在光子石墨烯中引入晶格有规律单轴形变的方式获得到了谷依赖的均匀赝磁场,并通过数值模拟的方法观察到了赝磁场控制下明显的谷霍尔效应。这种谷霍尔效应类似于自旋电子学中的自旋霍尔效应。第三、利用两个亚格子上不同高度的金属柱子组成的谷光子晶体(类二硫化钼)结构，观察了谷依赖的电磁波束劈裂现象以及赝磁场作用的谷依赖波输运特性，并初步观察到了电磁波的拓扑边界态等新奇物理现象。本课题所研究的谷依赖的光束控制器可以工作在从微波到光波段的任意波段，并且通过适当的光子晶体波导结构，可以方便地集成在一起。这为实现量子信息处理和计算等新型器件功能铺平了道路。此外，光子石墨烯中等效赝磁场作用下的谷霍尔效应在未来谷极化器件的设计和应用中具有重要意义。