基于强自旋轨道耦合的光子外尔拓扑材料及其光子输运调控行为研究

Photonic Weyl topological material is a new quantum state. It processes stable Weyl points in the three-dimensional momentum space, and support nontrivial topological surface state with backscattered-free photon transport. Photonic Weyl topological material is one of the research frontiers in the fields of optics and condensed matter physics. Due to the unique properties, it will have potential applications in spin-dependent photonic devices and quantum computing. The purpose of the project is to study the physical mechanism of photonic Weyl topological material and master the basic rules of the tunable photon transport behaviors. We will carry out the following studies: 1. The physical model of metal-dielectric composite metamaterial subwavelength unit cell will be constructed. We will study the effect of symmetry breaking on the spin-orbit coupling effect, and develop new optical devices based on spin-dependent. 2. We will study the theoretical and experimental methods for the construction of Weyl topological material based on the metal-dielectric composite metamaterial subwavelength unit cell with strong spin-orbit coupling. By analysis of the influence of geometric parameters of the elements and array configurations on the band structure, we will reveal the physical mechanism of the topologically protected surface state. 3. We will study the modulation of photon transport by introducing defects and using trivial metamaterials with anomalous electromagnetic parameters, and achieve novel physical phenomena such as focusing and perfect imaging based on photon transport. It can be expected that the research results will provide a new understanding of the photon transport properties in topological materials.

光子外尔拓扑材料是一种全新的量子物态，在三维动量空间能够形成非常稳定的外尔点，并支持受拓扑保护的无背散射光子输运，是目前光学、凝聚态物理等领域的研究前沿之一，在未来的自旋光子器件、量子计算等领域将有巨大的潜在应用。本项目旨在研究光子外尔拓扑材料形成的物理机制，掌握光子输运调控行为的基本规律，拟开展以下研究：1.建立基于金属-介质复合的亚波长超材料结构单元模型，探讨引入对称性破缺对自旋轨道耦合效应的影响，并发展自旋调控的新应用；2.研究利用强自旋轨道耦合的超材料单元构建光子外尔拓扑材料的理论和实验方法，分析结构单元、阵列构形的几何参数对能带结构的影响，揭示拓扑表面态形成的物理机制。3.通过引入缺陷和利用反常电磁参数的拓扑平庸超材料等方法调控拓扑表面态中光子输运行为，实现光子输运的聚焦、完美成像等新物理现象。该研究成果将有助于人们对光子拓扑材料中光子输运特性获得新认识和新研究思路。

拓扑光子学是光学中最活跃的新兴研究领域之一，因其边缘模式具有单向传输、抗缺陷等特性备受关注。本项目从超材料物理模型出发，分别设计了基于金属-介质复合、全介质、金属的拓扑材料，分析了微观结构参数对带隙结构、拓扑相等的影响。得到的主要研究结果如下：(1) 提出了六方晶格排列的金属和介质杂化的光子拓扑晶体，该拓扑晶体中存在双狄拉克锥和非平庸拓扑带隙，在带隙内观测到了受拓扑保护的边界态。并基于此设计了一种具有拓扑大面积边界态和拓扑高阶角态的谷霍尔光子晶体。在具有相反谷Chern数的两个谷光子晶体之间添加具有Dirac点的光子晶体，可以实现谷锁定的大面积边界态和高阶拓扑角态。该谷霍尔光子晶体能够灵活地控制和操纵电磁波局域程度，且可以实现面积可调的场能量局域化，在未来大规模光子集成电路具有广泛应用的前景。(2) 提出了双带隙全介质手性光子晶体，其由四个内径不同的全介质圆柱体按照顺时针或逆时针排列组成，该光子晶体可在双带产生边界态，在边界态电磁波可无反向散射的单方向传输，且不受缺陷影响。此外，基于该全介质晶体，设计了双工器和功率分配器，为新型微波器件、导波装置等提供了设计平台。 (3) 设计了由树枝状结构组成的可重构拓扑光子晶体，实现了多波段拓扑边界态和拓扑角态。通过旋转结构单元可以得到两种不同拓扑相的光子晶体。基于两种拓扑光子晶体，设计了一种多波段可重构拓扑波导。此外，利用该结构在多波段获得了高阶角态。该研究结果对非线性光学器件、集成平台的设计具有重要的应用价值。(4) 针对拓扑晶体的结构尺度大、带隙窄等，提出了一种深亚波长宽带带隙的多层谷霍尔拓扑超材料，通过改变层间位移实现了可重构拓扑边界态。此外，通过引入不同程度的扰动，研究了拓扑谷边界态和二阶角态的演化过程。由于该拓扑超材料具有宽带隙、超薄厚度、能与印刷电路板技术兼容性等优点，在单向波导、集成光子电路、拓扑信号处理等方面具有潜在的应用前景。(5) 提出了一种基于强自旋轨道耦合的螺旋结构单元，并设计了由双左旋螺旋线组成的三维外尔拓扑材料，该结构在一定kz范围内具有完全拓扑非平凡带隙，且具有鲁棒的表面态。这种独特的性能为光子学和电磁学的发展提供了一个新的研究平台。