拓扑电磁结构调控机理及理论特性研究
发布时间：2021-08-31 08:58
在过去的十几年里,拓扑能带理论的发展为电磁波的操控提供了新的有效的方法。利用光子晶体、人工表面等离激元晶体等人造晶体结构,观测到了一系列有趣的光学拓扑现象,如受拓扑保护的界面态、体态的选择性激发、光学外尔点等。这些有趣的拓扑现象对通讯、光学器件、量子计算等领域将会产生重大的意义。然而,对于这类人造晶体结构来说,其电磁响应特性在设计加工的过程中已经被固定,无法改变,因此在一定程度上限制了其潜在的应用。基于此,本文通过引进向列型液晶作为所设计拓扑人造晶体结构的组成材料,在外部作用的驱动下实现相关拓扑现象的可调控特性。具体内容如下:1)本文提出了一种太赫兹波段的双金属层人工表面等离激元晶体结构,通过数值仿真验证了其中非平庸拓扑谷态的存在,首次在此类结构中观测到了明显的手性锁定的体谷态选择性激发。利用人工表面等离激元的折射率敏感特性,并结合液晶的电致折射率可变属性,实现了可切换的体态激发以及宽带无手性响应的抗散射谷投影边界态传输。并将可切换的体态激发与谷投影边界态结合设计了一种可切换能量耦合器,耦合效率超过75%。2)本文提出了一种太赫兹波段的以液晶为成分之一的一维光子晶体结构,利用两个几何参...
【文章来源】：合肥工业大学安徽省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：69 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
光子晶体分类示意图[44]
性实现光量子霍尔效应[1,2]，这一结论开创了拓扑光子学的先河。目前，研究者已经设计了许多光学系统来开展拓扑光子学的相关研究[3-5]。其中光子晶体作为一种重要的光学系统，在一维、二维以及三维光子晶体中都有涉及拓扑理论的研究。在一维体系中，最具代表性的是SSH模型[66]，2009年开始光子体系中与SSH模型相关的实验观测[67]。2014年，港科大肖梦等人建立了一维光子晶体体能带扎克相位（Zakphase）与其表面阻抗之间的关系，指出界面态存在的条件[22]，并由南京大学刘辉课题组通过实验验证[68]，如图1.4（a）所示。图1.3根据亏格数目对物体进行的拓扑分类[3]。Figure1.3.Thetopologicalclassificationofobjectsaccordingtonumbersofgenus.在三维体系中，外尔半金属（Weylsemimetals）是当前拓扑物理学追寻的热点[62]，它的光学类比物——外尔光子晶体（Weylphotoniccrystals）目前也取得了丰硕的成果。外尔光子晶体是指在三维动量空间中存在外尔点（Weylpoints）的光子晶体。外尔点定义为三维动量空间中两条能带的线性简并点，其量子态的行为可用Weyl方程描述。2013年，陆凌等人提出在打破时间反演对称或空间反演对称的双螺旋二十四面体光子晶体中可以产生外尔点[21]，后被实验验证[69]，并于2017年提出了外尔光子晶体体系中的电磁散射定律[70]，如图1.4（b）所示。2016年，香港科技大学C.T.Chan等人在双层手性耦合光子晶体中实现拓扑荷大于1的外尔点，并且首次在三维体系中观察到了抗散射的表面态传输[23]，如图1.4（c）所示。次年，他们又在如图1.4（d）所示的手性堆叠woodpile光子晶体中实现了相同的现象，因结构简单，所以大大促进了外尔点的研究[71]。2018年，S.Zhang等人在具有D2d点群对称的金属马鞍形光子晶体中实现了理想外尔点[7
第一章绪论6为拓扑器件的发展提供了可能的平台，如图1.4（e）所示。2019年，S.Zhang等人再次利用金属马鞍形结构，在外尔点的基础上通过构造规范场实现了有单向传输的零级手性朗道能级[73]。同年，他们还通过实验观测到了磁性半导体中打破时间反演对称性的光学外尔点[74]。在三维光子晶体中，除了实现外尔点之外，还有许多其它有趣的研究，如三维狄拉克点（Diracpoints）[75]、节线型光子晶体（nodal-linePCs）[76]、三维拓扑绝缘体[77]等.图1.4（a）一维光子晶体中的拓扑[80,81]以及（b）-（e）实现外尔点的三维光子晶体[82-86]。Figure1.4.(a)Thetopologyinone-dimensionalphotoniccrystal.(b)-(e)Three-dimensionalphotoniccrystalsforrealizingWeylpoints.对于二维体系来说，它们比一维体系拥有更丰富的可调控物理量，比三维体系更简单的结构，易于加工制作。而且，凝聚态物理中的量子霍尔效应、量子自旋霍尔效应、量子谷霍尔效应都是在二维体系中发现的现象。基于此，在二维光学系统中相应的也能够实现光学量子霍尔效应（photonicsQHE）、光学量子自旋霍尔效应（photonicQSHE）以及光学量子谷霍尔效应（photonicsQVHE）。2008年，Haldane和Raghu提出使用具有法拉第效应的磁性材料构成蜂窝状光子晶体，通过打破时间反演对称性实现光学量子霍尔效应[1]。同年，Z.Wang等人提出可
【参考文献】：
期刊论文
[1]拓扑光子学研究进展[J]. 王洪飞,解碧野,詹鹏,卢明辉,陈延峰. 物理学报. 2019(22)
[2]能谷光子晶体与拓扑光传输[J]. 汤国靖,陈晓东,董建文. 物理. 2019(06)
[3]Terahertz spoof surface-plasmon-polariton subwavelength waveguide[J]. YING ZHANG,YUEHONG XU,CHUNXIU TIAN,QUAN XU,XUEQIAN ZHANG,YANFENG LI,XIXIANG ZHANG,JIAGUANG HAN,WEILI ZHANG. Photonics Research. 2018(01)
[4]凝聚态材料中的拓扑相与拓扑相变——2016年诺贝尔物理学奖解读[J]. 戴希. 物理. 2016(12)
[5]拓扑Weyl半金属简介[J]. 万贤纲. 物理. 2015(07)
[6]基于超材料的偏振不敏感太赫兹宽带吸波体设计[J]. 邹涛波,胡放荣,肖靖,张隆辉,刘芳,陈涛,牛军浩,熊显名. 物理学报. 2014(17)
[7]拓扑绝缘体简介[J]. 吕衍凤,陈曦,薛其坤. 物理与工程. 2012(01)
博士论文
[1]一维光子晶体中拓扑量及其界面态的研究[D]. 王强.南京大学 2017
本文编号：3374610
【文章来源】：合肥工业大学安徽省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：69 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
光子晶体分类示意图[44]
性实现光量子霍尔效应[1,2]，这一结论开创了拓扑光子学的先河。目前，研究者已经设计了许多光学系统来开展拓扑光子学的相关研究[3-5]。其中光子晶体作为一种重要的光学系统，在一维、二维以及三维光子晶体中都有涉及拓扑理论的研究。在一维体系中，最具代表性的是SSH模型[66]，2009年开始光子体系中与SSH模型相关的实验观测[67]。2014年，港科大肖梦等人建立了一维光子晶体体能带扎克相位（Zakphase）与其表面阻抗之间的关系，指出界面态存在的条件[22]，并由南京大学刘辉课题组通过实验验证[68]，如图1.4（a）所示。图1.3根据亏格数目对物体进行的拓扑分类[3]。Figure1.3.Thetopologicalclassificationofobjectsaccordingtonumbersofgenus.在三维体系中，外尔半金属（Weylsemimetals）是当前拓扑物理学追寻的热点[62]，它的光学类比物——外尔光子晶体（Weylphotoniccrystals）目前也取得了丰硕的成果。外尔光子晶体是指在三维动量空间中存在外尔点（Weylpoints）的光子晶体。外尔点定义为三维动量空间中两条能带的线性简并点，其量子态的行为可用Weyl方程描述。2013年，陆凌等人提出在打破时间反演对称或空间反演对称的双螺旋二十四面体光子晶体中可以产生外尔点[21]，后被实验验证[69]，并于2017年提出了外尔光子晶体体系中的电磁散射定律[70]，如图1.4（b）所示。2016年，香港科技大学C.T.Chan等人在双层手性耦合光子晶体中实现拓扑荷大于1的外尔点，并且首次在三维体系中观察到了抗散射的表面态传输[23]，如图1.4（c）所示。次年，他们又在如图1.4（d）所示的手性堆叠woodpile光子晶体中实现了相同的现象，因结构简单，所以大大促进了外尔点的研究[71]。2018年，S.Zhang等人在具有D2d点群对称的金属马鞍形光子晶体中实现了理想外尔点[7
第一章绪论6为拓扑器件的发展提供了可能的平台，如图1.4（e）所示。2019年，S.Zhang等人再次利用金属马鞍形结构，在外尔点的基础上通过构造规范场实现了有单向传输的零级手性朗道能级[73]。同年，他们还通过实验观测到了磁性半导体中打破时间反演对称性的光学外尔点[74]。在三维光子晶体中，除了实现外尔点之外，还有许多其它有趣的研究，如三维狄拉克点（Diracpoints）[75]、节线型光子晶体（nodal-linePCs）[76]、三维拓扑绝缘体[77]等.图1.4（a）一维光子晶体中的拓扑[80,81]以及（b）-（e）实现外尔点的三维光子晶体[82-86]。Figure1.4.(a)Thetopologyinone-dimensionalphotoniccrystal.(b)-(e)Three-dimensionalphotoniccrystalsforrealizingWeylpoints.对于二维体系来说，它们比一维体系拥有更丰富的可调控物理量，比三维体系更简单的结构，易于加工制作。而且，凝聚态物理中的量子霍尔效应、量子自旋霍尔效应、量子谷霍尔效应都是在二维体系中发现的现象。基于此，在二维光学系统中相应的也能够实现光学量子霍尔效应（photonicsQHE）、光学量子自旋霍尔效应（photonicQSHE）以及光学量子谷霍尔效应（photonicsQVHE）。2008年，Haldane和Raghu提出使用具有法拉第效应的磁性材料构成蜂窝状光子晶体，通过打破时间反演对称性实现光学量子霍尔效应[1]。同年，Z.Wang等人提出可
【参考文献】：
期刊论文
[1]拓扑光子学研究进展[J]. 王洪飞,解碧野,詹鹏,卢明辉,陈延峰. 物理学报. 2019(22)
[2]能谷光子晶体与拓扑光传输[J]. 汤国靖,陈晓东,董建文. 物理. 2019(06)
[3]Terahertz spoof surface-plasmon-polariton subwavelength waveguide[J]. YING ZHANG,YUEHONG XU,CHUNXIU TIAN,QUAN XU,XUEQIAN ZHANG,YANFENG LI,XIXIANG ZHANG,JIAGUANG HAN,WEILI ZHANG. Photonics Research. 2018(01)
[4]凝聚态材料中的拓扑相与拓扑相变——2016年诺贝尔物理学奖解读[J]. 戴希. 物理. 2016(12)
[5]拓扑Weyl半金属简介[J]. 万贤纲. 物理. 2015(07)
[6]基于超材料的偏振不敏感太赫兹宽带吸波体设计[J]. 邹涛波,胡放荣,肖靖,张隆辉,刘芳,陈涛,牛军浩,熊显名. 物理学报. 2014(17)
[7]拓扑绝缘体简介[J]. 吕衍凤,陈曦,薛其坤. 物理与工程. 2012(01)
博士论文
[1]一维光子晶体中拓扑量及其界面态的研究[D]. 王强.南京大学 2017
本文编号：3374610
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/wulilw/3374610.html
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