【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】 近日，南方科技大學(xué)電子與電氣工程系高振副教授團(tuán)隊(duì)在三維磁性光子晶體中首次觀測(cè)到了反手性鉸鏈態(tài)，實(shí)現(xiàn)了反手性拓?fù)鋺B(tài)從一階拓?fù)湎嘀粮唠A拓?fù)湎嗟耐卣?。研究團(tuán)隊(duì)通過層間二聚化堆疊的三維修正Haldane模型，在三維旋磁光子晶體中實(shí)現(xiàn)了高階棱態(tài)的反手性輸運(yùn)。該體系同時(shí)展現(xiàn)出獨(dú)特的拓?fù)浒虢饘傧?mdash;—節(jié)面(nodal surface)包裹節(jié)線(nodal line)的非常規(guī)能帶構(gòu)型，并支持傾斜的、四重簡(jiǎn)并的棱態(tài)色散，這一成果為三維非互易拓?fù)涔庾悠骷亩嗤ǖ兰砷_辟了新路徑。相關(guān)成果以“Observation of Antichiral Hinge States in a Three-dimensional Gyromagnetic Photonic Crystal”為題發(fā)表在Nature Communications。
 

　　反手性邊緣態(tài)和表面態(tài)可沿空間相互分離的平行邊界同向傳播。然而，迄今為止，反手性態(tài)的實(shí)驗(yàn)仍局限于一階拓?fù)湎?，而其高階對(duì)應(yīng)物——反手性鉸鏈態(tài)始終難以在實(shí)驗(yàn)中得到觀測(cè)。研究團(tuán)隊(duì)首次在旋磁光子晶體中完成對(duì)反手性鉸鏈態(tài)的實(shí)驗(yàn)觀測(cè)，并成功構(gòu)建了一個(gè)具有二聚化層間耦合的三維修正Haldane模型。通過微波近場(chǎng)掃描，團(tuán)隊(duì)解析了其標(biāo)志性特征：具有沿四條平行鉸鏈的非互易、同向輸運(yùn)，以及特征性的傾斜鉸鏈態(tài)色散。這些結(jié)果將反手性拓?fù)渫卣怪粮唠A體系，為三維非互易拓?fù)涔庾悠骷⒘艘粋€(gè)通用平臺(tái)。
 

　　為闡明本研究的核心理念，圖1對(duì)比了二維和三維體系中手性與反手性拓?fù)鋺B(tài)的傳播行為：二維手性邊緣態(tài)沿兩條平行邊界反向傳播(圖1a)，而反手性邊緣態(tài)則沿兩條平行邊界同向傳播(圖1b)。研究團(tuán)隊(duì)將該概念推廣至三維高階拓?fù)潴w系，手性棱態(tài)沿兩對(duì)平行棱反向傳播(圖1c)，首次實(shí)現(xiàn)的反手性棱態(tài)則沿兩對(duì)平行棱同向傳播(圖1d)。 該對(duì)比直觀表明，反手性棱態(tài)將“同向傳播”的特性從一階邊界態(tài)拓展到了高階鉸鏈態(tài)，為三維非互易多通道輸運(yùn)提供了全新途徑。
 

　　本研究首先構(gòu)建了三維緊束縛模型，該模型由堆疊的二維修正Haldane層組成，并引入了二聚化的層間耦合(如圖2a所示)。面內(nèi)哈密頓量描述了修正Haldane模型，面外哈密頓量引入了層間耦合的Su-Schrieffer-Heeger(SSH)型二聚化，由此產(chǎn)生高階能帶拓?fù)?。由于上述兩?xiàng)作用于獨(dú)立自由度，該因式分解為反手性鉸鏈態(tài)的形成提供了直觀機(jī)制：反手性鉸鏈態(tài)的形成源于面內(nèi)反手性邊緣態(tài)與面外SSH型拓?fù)涠藨B(tài)的直積。三維布里淵區(qū)(BZ)如圖2b所示。圖2c中計(jì)算的體能帶結(jié)構(gòu)揭示了一種獨(dú)特的拓?fù)浒虢饘傧?，其特征是頻移節(jié)線(NLs)和節(jié)面(NSs)共存。面內(nèi)C3對(duì)稱性保護(hù)了位于K和K'點(diǎn)的節(jié)線，使其沿k2方向連續(xù)延伸。值得注意的是，這些節(jié)線并非孤立存在，而是被在三維動(dòng)量空間中形成閉合流形的節(jié)面所包裹。這種獨(dú)特的“節(jié)面包裹節(jié)線”配置，來源于面內(nèi)狄拉克色散與二聚化層間耦合之間的相互作用。在有限結(jié)構(gòu)的投影能帶色散(圖2e)中，傾斜的四重簡(jiǎn)并鉸鏈態(tài)色散連接了頻移節(jié)面的投影，而傾斜的表面態(tài)色散則從頻移節(jié)線中發(fā)出，它們沿平行邊界的同向傳播證實(shí)了其反手性特征。通過計(jì)算三維動(dòng)量空間中的嵌套極化率pyvz(圖2f)可得，其在節(jié)面內(nèi)部投影邊界所限定的動(dòng)量區(qū)間內(nèi)被量子化為1/2，該結(jié)果驗(yàn)證了系統(tǒng)的高階拓?fù)涮匦浴?br /> 

　　隨后，團(tuán)隊(duì)在三維旋磁光子晶體中實(shí)現(xiàn)了上述理論模型。如圖3a所示，晶胞由夾在兩對(duì)永磁體之間的兩類旋磁圓柱體組成，此外還包括兩塊穿孔金屬板。永磁體產(chǎn)生交錯(cuò)磁場(chǎng)，使A和B子晶格中的旋磁圓柱分別沿+z和-z方向磁化，可在打破時(shí)間反演對(duì)稱性的同時(shí)保留所需的子晶格對(duì)稱性。高階拓?fù)鋭t是通過調(diào)整兩塊穿孔金屬板的幾何形狀實(shí)現(xiàn)二聚化層間耦合。模擬得到的三維旋磁光子晶體體能帶結(jié)構(gòu)(圖3b)與理論結(jié)果高度吻合。沿方向的投影色散(圖3c)揭示了位于反手性表面態(tài)帶隙內(nèi)的四個(gè)簡(jiǎn)并的反手性鉸鏈態(tài)。兩者都表現(xiàn)出具有正群速度的特征性傾斜色散，這是反手性傳播的標(biāo)志。圖3d和3e的模擬結(jié)果表明，電磁波被緊緊局域在四條平行鉸鏈上，并沿所有四條平行鉸鏈在同一方向上非互易傳播，直接證明了反手性鉸鏈態(tài)的實(shí)現(xiàn)。
 

　　最后，團(tuán)隊(duì)還研究了該棱態(tài)的拓?fù)漪敯粜?，在包含一個(gè)尖銳拐角的三維旋磁光子晶體中進(jìn)行了微波近場(chǎng)測(cè)量(圖5a-c)。結(jié)果表明，反手性鉸鏈態(tài)能夠平滑地繞過尖銳拐角，未出現(xiàn)明顯的背向散射。團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步沿其傳播路徑移除了一個(gè)旋磁圓柱及其對(duì)應(yīng)的永磁體，引入晶格缺陷(圖5d-f)。根據(jù)測(cè)量得到的電場(chǎng)分布結(jié)果證明，鉸鏈態(tài)能夠繞開該缺陷繼續(xù)傳輸，證實(shí)了反手性鉸鏈態(tài)受拓?fù)浔Ｗo(hù)的強(qiáng)魯棒性。
 

　　南方科技大學(xué)博士研究生王子堯、曲靖師范學(xué)院夏天智講師為共同第一作者，夏天智講師、夏漢榮博士后、高振為論文共同通訊作者，南方科技大學(xué)為論文第一單位。該研究工作得到了國家自然科學(xué)基金和及南科大高水平專項(xiàng)資金等項(xiàng)目支持。
 

　　引用：南科大高振團(tuán)隊(duì)在三維磁性光子晶體中首次實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到反手性棱態(tài) - 南方科技大學(xué)【引用時(shí)間：2026年9月3日】