北理工課題組在人工規(guī)范場物理領(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)造了人工磁場和人工電場的協(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)頂級期刊《Physical Review Letters》上,。
規(guī)范場在凝聚態(tài)物理,、光學(xué)、聲學(xué)和冷原子等系統(tǒng)中對研究粒子的復(fù)雜行為具有重要意義,。帶電體在一定條件的外磁場中會受到洛倫茲力,，其量子化的能量為一系列朗道能級。朗道能級與量子霍爾效應(yīng)的量子化電阻平臺相對應(yīng),，朗道能級填充數(shù)量對應(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,，光子對外部真實(shí)磁場幾乎沒有響應(yīng)，因此構(gòu)建“贗磁場”（也被稱為人工規(guī)范場）成為實(shí)現(xiàn)光學(xué)體系朗道能級的重要方法,。近年來,，如何構(gòu)建不帶電體系的贗磁場引起了研究者的極大興趣，通過對石墨烯施加應(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的實(shí)現(xiàn)上,。然而，贗磁場所誘導(dǎo)的朗道能級是一系列近似平帶的能帶,，尤其是零能模,，其高度簡并性導(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，提出同時引入贗磁場(PMF)和贗電場(PEF),，其中贗磁場的引入用于產(chǎn)生一系列朗道能級,，而贗電場的引入用于打破朗道能級的簡并性，在這兩種人工規(guī)范場的協(xié)同作用下,，同一朗道能級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)贗磁場和贗電場協(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),。通過設(shè)計沿y方向單軸緩慢形變的光子晶體,，能夠在動量空間中引起狄拉克點(diǎn)的移動，等價于在z方向引入了一個贗磁場,。與此同時,，通過令介質(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。如圖2所示,。
圖2. (a)二維形變的蜂窩晶格光子晶體,。(b-e)贗磁場和贗電場的構(gòu)建,。
圖3. (a)微波近場實(shí)驗(yàn)測量裝置,。(b, c)實(shí)驗(yàn)觀測和仿真計算的朗道彩虹現(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探測系統(tǒng)表征了樣品表面不同頻率的電場模的分布，不同頻率的朗道零模明顯地局域在不同位置,。實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果與仿真計算結(jié)果一致,，進(jìn)一步驗(yàn)證了兩種人工規(guī)范場協(xié)同作用下朗道彩虹現(xiàn)象的物理機(jī)制，而單獨(dú)的贗磁場或贗電場都不能產(chǎn)生朗道彩虹,。如圖3所示,。朗道能級具有高度簡并性，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)對能帶的影響,，有望應(yīng)用于多波長光信息處理器件，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)范場的研究提供了物理平臺，為推動人工規(guī)范場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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