不均匀的狄拉克锥系统产生平面内的手性朗道水平
发布时间：2023-07-10 08:00:00 阅读数： 25
a，手性Zeroth Landau级表现出独特的手性传输特性。通过引入一个线性依赖于坐标的不均匀的有效质量，狄拉克锥系统产生了一个合成的面内磁场（Bs）。因此，该系统中单一手性的Zeroth模式表现出单向传播，其中左手性和右手性的Zeroth模式在指定方向上反传播。尽管在样品的中心引入了一个重要的缺陷，手性Zeroth模式仍然不受影响，并且意外地绕过了缺陷，反射可以忽略不计。资料来源：贾宏伟，王木弟，马少杰，张若阳，胡静，王东阳，C.T. Chan
手性Zeroth Landau级是在拓扑上受保护的体态，在单一方向传播。在量子场论和凝聚态物理领域，这些层次对于打破手性对称和触发手性反常至关重要，这涉及到粒子物理和凝聚态系统中手性电流的不守恒。
然而，以前实现手性朗道水平的方法依赖于三维韦尔退行性和背景磁场，这对样品的制造构成了挑战，并限制了实际应用。
在最近发表在《光： 科学与应用》中，来自中国香港科技大学物理系的C. T. Chan教授与一个科学家团队一起，介绍了一种新的方法。通过打破每个单元格内的局部奇偶性反转对称性，他们设计了一个具有不均匀有效质量的二维狄拉克锥体光子系统。
这种不均匀的有效质量在一个虚拟的方向上创造了一个合成的规整场，它与狄拉克退行性相互作用。通过他们的工作，他们成功地将手性朗道级从三维系统扩展到二维系统，并在实验上验证了其单向传播的性质。
此外，他们在系统中引入了缺陷，并进行了实验来测试手性Zeroth Landau级对反向散射的稳健性。这些发现大大简化了样品的制造，并在单向光学设计中具有应用潜力。
与受拓扑保护的表面态相比，体态为通信设备的利用提供了更大的便利性。这是由于体态的能量被限制在系统内，而边缘态的能量主要集中在系统的边界附近，使得它们更容易被泄漏。进行研究的科学家们总结了这些体态的基础物理学、特殊属性和潜在应用：
"我们的目标是将手性Zeroth Landau级的概念从3D Weyl系统扩展到2D Dirac锥系统。为了实现这一目标，我们认识到二维狄拉克锥系统可以被视为三维韦尔系统的一个子系统，通过引入一个由狄拉克锥的有效质量代表的虚拟方向，"他们说。
"通过使有效质量不均匀，我们可以把这个虚拟方向上的动量重新定义为虚拟典范动量。因此，这就产生了二维平面上的合成磁场，它与狄拉克锥相互作用，导致平面内手性朗道水平的形成。"
"由于单个狄拉克锥只支持一个手性Zeroth Landau级，从正向传播的Zeroth模式到负向传播的模式的散射转变与区间散射相当。然而，这个过程带来了巨大的挑战，因为两个山谷在动量空间中相距甚远，使得这种转变非常难以发生，"他们补充说。
"手性Zeroth体模对来自缺陷的反向散射的内在稳健性是其特殊性能背后的关键因素。这一特性使它非常适用于单向光波导设计的应用。通过将样品尺寸从毫米级缩小到纳米级，它就可以在光频范围内应用。这为其在通信设备中的广泛使用提供了机会，有效地减少了能量泄漏。科学家们说："体积内的封闭能量能够有效地管理信息传输，进一步提高其可及性。
参考资料
Hongwei Jia et al, Experimental realization of chiral Landau levels in two-dimensional Dirac cone systems with inhomogeneous effective mass, Light: Science & Applications (2023). DOI: 10.1038/s41377-023-01209-z
