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资剑课题组实现动量空间偏振态拓扑涡旋的直接实验观测
发布人:韦佳  发布时间:2018-11-22   浏览次数:1318


   近期,我系/应用表面物理国家重点实验室教授资剑课题组与中国科学院物理研究所的陆凌研究员合作,运用自主搭建的动量空间偏振分辨光谱成像系统,在支持表面等离激元模式的二维光子晶体薄膜中,实现了在动量空间中对偏振态拓扑涡旋的直接实验观测。5月4日,相关研究论文以《在动量空间中对偏振态拓扑涡旋的观测》(“Observation of polarization vortices in momentum space”)为题,发表于《物理评论快报》(Physical Review Letters)(120, 186103 (2018))。


涡旋作为一类最基本的拓扑结构,被认为广泛的存在于各类物理体系当中。具有涡旋构型的物理体系具有特殊的拓扑状态,也随之具有了一系列常规状态所不具有的特殊物理效应和应用。例如,在超流超导体系实空间中存在的K-T涡旋,其对低维情况有限温度下能隙的存在具有重要意义;在铁磁和反铁磁体系中,磁矩在材料实空间中的涡旋结构被认为是未来磁存储和自旋电子器件中信息的载体;在霍尔效应相关体系中,单向界面电输运性质被认为与其动量空间中类似于涡旋的贝利流奇点直接相关;在拓扑绝缘体中,动量空间中狄拉克锥上的磁结构也被认为具有涡旋态分布。尽管人们对涡旋以及与其相关的拓扑状态的理解日益深入,但对涡旋的实验观测却绝大部分停留在实空间中。动量空间中的涡旋结构和分布由于缺少可直接观测的物理量或者缺少成熟的观测手段,所以,当前在实验上直接观测动量空间中丰富的涡旋结构和分布一直是一个难点。光子晶体由于动量空间中丰富的能带结构,其具有强大的对电磁波的调控能力。结合电磁波的偏振矢量特性,在光子晶体的动量空间中,Bloch态的偏振态也被认为可以形成复杂的拓扑结构,并导致新奇的物理效应,比如具有高品质因子的连续谱中的束缚态等。

聚焦于通过实验技术全面展示光子晶体在动量空间中的信息以及挖掘其中的涡旋拓扑结构,资剑教授研究团队自主开发了基于傅里叶变换原理、具有同时实现实空间和动量空间双高分辨能力的动量空间偏振分辨光谱成像系统(图1a)。利用该系统的光谱模块与成像模块,研究团队对自主制备的支持表面等离激元模式的二维光子晶体薄膜材料在动量空间中进行了全面的成像表征,得到了样品的全动量空间色散关系以及等频率图,首次实验展现了动量空间中的拓扑涡旋结构和分布。其中,通过高频率分辨能力的光谱模块以及结合耦合模理论对实验数据的分析,动量空间中的每一个Bloch态的辐射、非辐射寿命和品质因子、偏振态的主轴方向和椭圆偏振度等关键指标被获得。两相对比,实验上揭示了连续谱中的束缚态与动量空间中拓扑涡旋的对应关系以及束缚态的物理机制。通过成像模块,动量空间中的偏振拓扑涡旋更是可以被直接观察,其对直观认识和定量分析涡旋的结构特别是动量空间中的分布具有重要作用。更进一步,团队利用光子晶体中的对称性条件,理论上分析了动量空间中涡旋构型与涡旋所在位置上旋转-镜面对称性的关系。通过该分析,研究团队不仅展示了涡旋转数为±1的情况,转数为2以及3的高阶涡旋也被成功实验获得并展示。该项研究工作实验上展示了动量空间偏振拓扑涡旋这一拓扑现象并详细讨论了涡旋形成的关键物理机制以及物理效应,同时从电磁波矢量性出发所研究的拓扑涡旋构型对标量电子能带拓扑理论形成了补充。此工作对复杂光子结构设计、拓扑光子学以及光与物质相互作用等方面的研究有着重要的指导意义。

该项研究工作中的二维光子晶体薄膜材料在复旦大学微纳加工和器件公共实验室完成制备;耶鲁大学的Chia Wei Hsu博士提供了耦合模理论并参与了工作讨论和文章修改。该研究得到了科技部青年973项目,国家重点基础研发项目,国家自然科学基金委重大仪器专项以及面上项目等的资助支持。

 图1 (a)动量空间偏振分辨光谱成像系统示意图 (b)二维表面等离激元晶体正方晶格样品的

全动量空间色散关系分布(c) 样品在动量空间中的偏振态分布和辐射态寿命分布

2 (a) 二维表面等离激元晶体六角晶格样品的全动量空间色散关系分布及高阶偏振态涡旋
 (b)
在动量空间中对偏振态涡旋的直接观测(左)正方晶格(右)六角晶格