北理工課題組在人工規(guī)范場(chǎng)物理領(lǐng)域取得重要進(jìn)展
發(fā)布日期：2025-01-03 供稿：物理學(xué)院 攝影：物理學(xué)院
編輯：王莉蓉 審核：陳珂 閱讀次數(shù)：
近日,，北京理工大學(xué)物理學(xué)院路翠翠教授課題組和香港大學(xué)張霜教授合作,，構(gòu)造了人工磁場(chǎng)和人工電場(chǎng)的協(xié)同作用,，實(shí)現(xiàn)了將不同頻率的朗道模式局域到不同空間位置，并將該物理現(xiàn)象命名為“朗道彩虹”（Landau Rainbow），為多頻率寬帶信息處理提供了新思路。相關(guān)研究成果以“Landau Rainbow Induced by Artificial Gauge Fields”為題發(fā)表在物理學(xué)頂級(jí)期刊《Physical Review Letters》上,。
規(guī)范場(chǎng)在凝聚態(tài)物理、光學(xué)、聲學(xué)和冷原子等系統(tǒng)中對(duì)研究粒子的復(fù)雜行為具有重要意義,。帶電體在一定條件的外磁場(chǎng)中會(huì)受到洛倫茲力,，其量子化的能量為一系列朗道能級(jí)。朗道能級(jí)與量子霍爾效應(yīng)的量子化電阻平臺(tái)相對(duì)應(yīng),，朗道能級(jí)填充數(shù)量對(duì)應(yīng)于系統(tǒng)的拓?fù)洳蛔兞?，這也是拓?fù)漕I(lǐng)域研究的基石。然而,，不同于帶電體系,，光子對(duì)外部真實(shí)磁場(chǎng)幾乎沒(méi)有響應(yīng)，因此構(gòu)建“贗磁場(chǎng)”（也被稱(chēng)為人工規(guī)范場(chǎng)）成為實(shí)現(xiàn)光學(xué)體系朗道能級(jí)的重要方法,。近年來(lái),，如何構(gòu)建不帶電體系的贗磁場(chǎng)引起了研究者的極大興趣，通過(guò)對(duì)石墨烯施加應(yīng)力,、構(gòu)建漸變的超構(gòu)材料或晶格變形的光波導(dǎo)等結(jié)構(gòu)，多種不帶電體系的朗道能級(jí)逐漸被實(shí)現(xiàn),。為此,，該領(lǐng)域的研究聚焦在不帶電體系的朗道能級(jí)的實(shí)現(xiàn)上。然而,，贗磁場(chǎng)所誘導(dǎo)的朗道能級(jí)是一系列近似平帶的能帶,，尤其是零能模，其高度簡(jiǎn)并性導(dǎo)致模式難以區(qū)分,，物理上缺乏有效的手段探索朗道模式的復(fù)用,。
在本工作中，北京理工大學(xué)物理學(xué)院路翠翠教授課題組和香港大學(xué)張霜教授合作,，提出同時(shí)引入贗磁場(chǎng)(PMF)和贗電場(chǎng)(PEF),，其中贗磁場(chǎng)的引入用于產(chǎn)生一系列朗道能級(jí)，而贗電場(chǎng)的引入用于打破朗道能級(jí)的簡(jiǎn)并性,，在這兩種人工規(guī)范場(chǎng)的協(xié)同作用下,，同一朗道能級(jí)上的不同頻率的朗道模式在空間上分離到不同的位置，呈現(xiàn)出獨(dú)特的類(lèi)似彩虹囚禁的效果,，他們將發(fā)現(xiàn)的這種物理現(xiàn)象命名為“朗道彩虹”,。如圖1所示。
圖1. (a, b)贗磁場(chǎng)和贗電場(chǎng)協(xié)同作用下誘導(dǎo)的朗道彩虹現(xiàn)象示意圖,不同頻率的朗道零模被分開(kāi)并局域到不同的空間位置,。
為了驗(yàn)證提出的物理想法,，他們構(gòu)建了易于制備的光子晶體結(jié)構(gòu)。通過(guò)設(shè)計(jì)沿y方向單軸緩慢形變的光子晶體,，能夠在動(dòng)量空間中引起狄拉克點(diǎn)的移動(dòng),，等價(jià)于在z方向引入了一個(gè)贗磁場(chǎng)。與此同時(shí),，通過(guò)令介質(zhì)柱面積沿x方向緩慢漸變,，能夠改變狄拉克點(diǎn)的頻率,，光子的頻率即體系的能量，因此通過(guò)構(gòu)造能量隨空間位置的漸變成功在系統(tǒng)中引入了沿x方向的贗電場(chǎng),。如圖2所示,。
圖2. (a)二維形變的蜂窩晶格光子晶體。(b-e)贗磁場(chǎng)和贗電場(chǎng)的構(gòu)建,。
圖3. (a)微波近場(chǎng)實(shí)驗(yàn)測(cè)量裝置,。(b, c)實(shí)驗(yàn)觀測(cè)和仿真計(jì)算的朗道彩虹現(xiàn)象。
實(shí)驗(yàn)中,，他們制備了介質(zhì)光子晶體,，并利用微波波段的近場(chǎng)探測(cè)系統(tǒng)表征了樣品表面不同頻率的電場(chǎng)模的分布，不同頻率的朗道零模明顯地局域在不同位置,。實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果與仿真計(jì)算結(jié)果一致,，進(jìn)一步驗(yàn)證了兩種人工規(guī)范場(chǎng)協(xié)同作用下朗道彩虹現(xiàn)象的物理機(jī)制，而單獨(dú)的贗磁場(chǎng)或贗電場(chǎng)都不能產(chǎn)生朗道彩虹,。如圖3所示,。朗道能級(jí)具有高度簡(jiǎn)并性，模式數(shù)量豐富,；朗道彩虹器件具有寬帶性和可擴(kuò)展性等優(yōu)點(diǎn),；并且得益于朗道能級(jí)的拓?fù)涮匦裕实啦屎缙骷毁x予魯棒性,，能夠在一定程度上抵抗微擾和雜質(zhì)對(duì)能帶的影響,，有望應(yīng)用于多波長(zhǎng)光信息處理器件，如拓?fù)渎馄骷?、拓?fù)浞止馄饕约巴負(fù)洳ǚ謴?fù)用系統(tǒng)等,。該工作為光子學(xué)中的人工規(guī)范場(chǎng)的研究提供了物理平臺(tái)，為推動(dòng)人工規(guī)范場(chǎng)物理在寬帶信息處理的應(yīng)用提供了策略,。
北京理工大學(xué)物理學(xué)院路翠翠教授和香港大學(xué)張霜教授為論文的共同通訊作者,，北京理工大學(xué)物理學(xué)院趙聞博士、鄭焱基博士和路翠翠教授為該論文的共同第一作者,，清華大學(xué)劉永椿副教授和北京理工大學(xué)王志浩博士也對(duì)此工作做出了重要貢獻(xiàn),。該工作得到新基石科學(xué)基金、香港研究資助局,、國(guó)家自然科學(xué)基金,、北京理工大學(xué)等的支持。
文章信息：Wen Zhao,# Yanji Zheng,# Cuicui Lu,#* Zhihao Wang, Yongchun Liu, and Shuang Zhang*; “Landau Rainbow Induced by Artificial Gauge Fields”, Physical Review Letters 133, 233801 (2024).
文章鏈接：https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.133.233801
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