拓扑光子晶体螺旋边界态性质及应用研究

发布时间：2022-07-14 13:03

　　拓扑绝缘体作为量子霍尔效应的直接推广,近几年受到研究人员的广泛关注。尤其是受拓扑保护的边界态在全介质光子晶体中特殊的光学性质,以及在特殊缺陷结构中独特的传输特性,已经成为近年来研究人员关注的热点问题之一。本文基于量子自旋霍尔效应,主要研究了拓扑光子晶体中单向螺旋边界态的形成机理和传输特性。利用自旋相关的电磁波单向传输特性,提出了边界模式耦合模型,实现具有良好传输特性的光波导器件。同时在椭圆介质柱构成的拓扑光子晶体中激励宽带螺旋边界态,并且实现了光子自旋的引导。具体的研究内容分别如下:（1）在不打破系统时间反演对称性的前提下,通过压缩或扩大类石墨烯晶格单胞的比例,可以打开第一布里渊区中心（38）点处二重简并的Dirac锥,实现能带分离、宇称反转。然后利用布洛赫态之间的模式杂化构建一对赝自旋相反的单向边界态。基于单向边界模式背向散射抑制、不受表面缺陷影响等特性和边界模式耦合理论,从二维拓扑光子晶体螺旋边界态耦合增强着手,采用“三明治”结构的平庸-非平庸-平庸光子晶体对称系统,利用谐振源同时在两个界面上同时激励同向、性质相似的两个螺旋边界态,在拓扑非平庸区域实现较强的光子局域。计算了该结构对... 

【文章页数】：92 页

【学位级别】：硕士

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摘要
abstract
第一章 绪论
    1.1 引言
    1.2 拓扑物理学的发展
        1.2.1 量子霍尔效应
        1.2.2 量子自旋霍尔效应
        1.2.3 其他维度中的拓扑相位
        1.2.4 Floquet调制
    1.3 拓扑学的基本概念
        1.3.1 拓扑不变量
        1.3.2 时间反演对称性
        1.3.3 Berry相位
        1.3.4 自旋陈数
    1.4 拓扑模型介绍
        1.4.1 Haldane模型
        1.4.2 Kane-Mele模型
        1.4.3 Bernevig-Hughes-Zhang(BHZ)模型
    1.5 研究目标与主要研究内容
第二章 二维光拓扑绝缘体
    2.1 二维光子晶体
    2.2 手性边界态和螺旋边界态
    2.3 二维光量子霍尔绝缘体
        2.3.1 量子霍尔拓扑相
        2.3.2 磁光效应
        2.3.3 手性边界态
    2.4 二维光量子自旋霍尔绝缘体
        2.4.1 量子自旋霍尔拓扑相
        2.4.2 赝时间反演对称性
        2.4.3 拓扑光子晶体的k-p 哈密顿量
        2.4.4 拓扑相变
        2.4.5 螺旋边界态
        2.4.6 角动量-波矢锁定
    2.5 本章小节
第三章 二维拓扑光子晶体螺旋边界态耦合特性研究
    3.1 “三明治”结构拓扑光子晶体的拓扑性质研究
    3.2 耦合边界态的传输特性研究
    3.3 耦合边界态的稳定性分析
    3.4 本章小结
第四章 二维拓扑光子晶体边界态赝自旋引导机理研究
    4.1 椭圆介质柱拓扑光子晶体的拓扑性质研究
    4.2 螺旋边界态赝自旋引导及传输特性研究
    4.3 椭圆介质柱参数对螺旋边界态性质的影响
    4.4 蜂窝状晶胞中赝自旋约束性的研究
    4.5 本章小结
第五章 二维拓扑光子晶体缺陷结构中边界态性质研究
    5.1 边界处C_6对称性的破缺条件下边界态特性研究
    5.2 拓扑光子晶体中赝自旋锁定的缺陷模式
        5.2.1 拓扑光子晶体缺陷结构的模型设计
        5.2.2 赝自旋锁定的缺陷模式传输特性研究
        5.2.3 赝自旋锁定的缺陷模式稳定性分析
        5.2.4 结构参数对缺陷模式性质的影响
    5.3 本章小结
第六章 总结与展望
    6.1 总结
    6.2 展望
参考文献
致谢
攻读硕士学位期间发表的论文



本文编号：3661173