|
▌R1 在光子晶体光学特性表征中的应用
利用角分辨光谱仪检测光子晶体中的三维拓扑态
光子晶体
角分辨反射谱
节线环
能脊态
Tamm态
【概述】光子晶体是一种折射率周期性变化的纳米结构，因其可调控光的能力具有广泛应用。光学节线环是光子晶体中一种处于三维动量空间中的能带简并态，通过引入对称性破缺，节线环可以过渡至能脊态，能脊态具有丰富的光学行为，如电磁波负折射、表面结构依赖的古斯–汉森位移等。然而，实现节线环通常需要制备三维光子晶体，但复杂的三维结构不利于上述行为在更高光频段实现，甚至进一步获得新型功能性光子器件，如何使用简单的光学结构来实现能脊态，成为该领域迫切需要解决的问题。
2022年，中山大学物理学院、光电材料与技术国家重点实验室董建文教授、陈文杰教授、陈晓东副教授的研究团队在 Light: Science & Applications 上发表了一篇题为《Ideal nodal rings of one-dimensional photonic crystals in the visible region》的文章。作者使用简单的全介质一维光子晶体，实现了理想的光学节线环简并态和能脊态，并实验证实了能脊光子晶体带隙中的表面态。
【样品 & 测试】作者使用电感耦合等离子体增强化学气相沉积方法（ICP-CVD），利用面内的旋转对称性，选用二氧化硅和氮化硅材料制备一维的节线环光子晶体，如图2a 所示。随后将部分氮化硅替换为富硅氮化硅，打破结构的空间反演对称性，制备出一维能脊光子晶体。最后，作者使用电子束蒸发方法在样品表面镀上一层银膜，发现了光学 Tamm 表面态。为证实节线环、能脊态、Tamm 表面态的存在，作者使用角分辨光谱仪 R1 对样品的能带进行了角分辨反射谱测量，如图2b 所示。
通过三次角分辨反射谱测量，作者分别在 450THz 附近观察到节线环（图3d）、350THz 附近观察到能脊态（图3e）及 350~400THz 附近观察到 Tamm 表面态（图3f） ，且这些现象的形态与位置都与仿真结果（图3a-c）高度相近，充分证实了一维光子晶体实现光学节线环简并态和能脊态的潜力。
图3，一维光子晶体理论结果（a, b, c）与测试结果图（d, e, f）
|
【总结】综上，作者利用简单的全介质一维光子晶体实现了复杂的节线环和能脊态，为在光学波段实现表面态的负折射、表面结构依赖的古斯–汉森位移等光学现象提供了基础。同时，通过理论仿真与实验测量说明了了一维节线环光子晶体在简并态及其相关的拓扑表面态的巨大潜力。在样品有效性验证过程中，复享光学的角分辨光谱仪 R1 被证明是一种直观且高效的检测工具。▌
【参考文献】
✽ Deng W M; Chen Z M; Li M Y;et al. Ideal nodal rings of one-dimensional photonic crystals in the visible region[J]. Light: Science & Applications (2022). Link
|