偏置磁场方向对磁性光子晶体能带结构的影响及其在构建拓扑边界态中的作用*

郗翔 叶康平 伍瑞新

(南京大学电子科学与工程学院,南京 210023)

光子晶体中的拓扑相变源自于其能带结构中带隙的打开-闭合-再打开,其中伴随着能带结构中带序(或本征态)之间的交换.本文探讨了偏置磁场方向对磁性光子晶体能带结构的影响,它在构建拓扑边界态中的作用以及对边界态特性的影响.结果表明: 反转偏置磁场方向会导致能量不同但宇称相同的本征态之间的交换,这种交换为构造不同特性的拓扑边界态(如多重边界态等)提供了更多选择性.根据边界两侧光子晶体能带结构的相对关系,可以预测在边界上是否出现拓扑边界态以及边界态的主要特性.

1 引 言

近十年来有关光子晶体中光子拓扑态的研究迎来了极为快速的发展.光子拓扑态源于凝聚态物质拓扑相的物理学研究,由于光子晶体具有与固态电子系统相似的数学特征,因此凝聚态中的拓扑相同样会出现在光子系统中[1].凭借其独特的性能,例如完全背散射抑制和缺陷免疫的单向输运的边界态等[1−6],光子晶体中拓扑相的研究吸引了人们极大的关注.此外,光学系统具有比固态电子系统更高的自由度来设计能带结构,它为诸如拓扑相变和选择性传输等研究提供了一个良好的工作平台.

与电子系统相似,光子晶体中同样具有多种拓扑相,如量子霍尔相[2−11]、量子自旋霍尔相[12−16]和量子谷霍尔相[17−24]等.Raghu 和Haldane[2,3]最早在理论上预见了当打破时间反演对称性……