物电院：本科生魏益洲在光子晶体脆弱拓扑研究方面取得研究进展

近日，物理与微电子科学学院电科1804班本科生魏益洲在刘建军副教授的指导下，在光学期刊《Optics Letters》上发表论文。

目前，基于C₆对称性实现光量子自旋霍尔效应的方案主要包括：拉伸压缩散射子间距，改变内外层散射子半径，构建特殊形状散射子等，但这些方案的二维空间自由度是有限的，且其中大多数方案很难根据原胞结构直观判断出对应光子晶体（photonic crystal,PC）的拓扑性质。在体态带隙中实现一组角态已被大量研究，但在同一体态带隙中实现两组角态尚待探索。另外，目前实现脆弱拓扑的许多方案基于构建特殊形状散射子，这在制作过程中需用到复杂的制备加工手段，不便于实际应用。

针对上述问题，该论文提出利用简单的圆形双电介质柱（double dielectric rods,DDR）（电介质柱即为散射子）作为整体旋转六次得到双点位蜂窝晶格（double-site honeycomb lattice,DSHL）原胞，然后将其进行三角晶格阵列得到双点位蜂窝晶格光子晶体（DSHL PC）。通过在径向及切向上操作DDR，使DSHL PC发生能带反转从而实现拓扑相变。大量计算分析DSHL PC的拓扑性质与其结构组合参数(l,h,r)的关系，发现DSHL PC拓扑性质与电介质柱半径近似无关而与电介质柱位置密切相关，对应关系具有规律性且可总结为简单的相图。该相图可为该领域的研究人员提供重要参考，研究人员可根据自己所需PC的工作频率范围结合相图选择合适的结构组合参数(l,h,r)构建PC。该工作通过计算两组依据相图构建的PC的万尼尔中心的位置证明了其脆弱拓扑特性，然后利用其脆弱拓扑特性构建了两组具有带隙的边界态结构，并选择其中一组结构利用其边界态带隙及边界态与体态之间的带隙同时实现了两组角态，这在构建可实现特殊性能的光学器件方面具有重要潜在应用。同时，DSHL PC的高可调自由度意味着可实现丰富的能带结构，且散射子为简单的圆形电介质柱。因此，可以认为DSHL PC具有广泛的应用前景。

(a)光子晶体模型图，晶格常数a₀=1μm，三角晶格基矢a₁、a₂；(b)图(a)中原胞的放大图，电介质柱1（rod₁）与2（rod₂）圆心的距离为2l（定义为：两电介质柱在原胞中的切向距离），两电介质柱圆心连线的中点到原胞中心的距离为h（定义为：双电介质柱离原胞中心的径向距离），两电介质柱半径均为r，且介电常数ε_r=11.7，背景为空气；(c)12个电介质柱构成六边形原胞的第一布里渊区(BZ)被重构成菱形，倒格矢的基矢k₁、k₂。

该论文得到了国家自然科学基金、湖南省自然科学基金、中央高校基本科研业务费、大学生创新创业训练计划创新训练项目及学院“本科生科研能力提升计划”的支持。

刘建军副教授是学院“本科生科研能力提升计划”的积极倡导者与实践者，现已指导本科生一作发表学术论文近30篇、授权中国发明专利2项及国内外名校深造同学近40名。

论文链接：https://www.osapublishing.org/ol/fulltext.cfm?uri=ol-46-16-3941&id=456005

DOI:https://doi.org/10.1364/OL.434502

来源：物电院

通讯员：邓欢

责任编辑：文亦佳