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▌R1 在光子晶體光學特性表征中的應用
利用角分辨光譜儀檢測光子晶體中的三維拓撲態(tài)
光子晶體
角分辨反射譜
節(jié)線環(huán)
能脊態(tài)
Tamm態(tài)
【概述】光子晶體是一種折射率周期性變化的納米結構，因其可調控光的能力具有廣泛應用。光學節(jié)線環(huán)是光子晶體中一種處于三維動量空間中的能帶簡并態(tài)，通過引入對稱性破缺，節(jié)線環(huán)可以過渡至能脊態(tài)，能脊態(tài)具有豐富的光學行為，如電磁波負折射、表面結構依賴的古斯–漢森位移等。然而，實現(xiàn)節(jié)線環(huán)通常需要制備三維光子晶體，但復雜的三維結構不利于上述行為在更高光頻段實現(xiàn)，甚至進一步獲得新型功能性光子器件，如何使用簡單的光學結構來實現(xiàn)能脊態(tài)，成為該領域迫切需要解決的問題。
圖1，三維系統(tǒng)中節(jié)線環(huán)與能脊態(tài)示意圖
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2022年，中山大學物理學院、光電材料與技術國家重點實驗室董建文教授、陳文杰教授、陳曉東副教授的研究團隊在 Light: Science & Applications 上發(fā)表了一篇題為《Ideal nodal rings of one-dimensional photonic crystals in the visible region》的文章。作者使用簡單的全介質一維光子晶體，實現(xiàn)了理想的光學節(jié)線環(huán)簡并態(tài)和能脊態(tài)，并實驗證實了能脊光子晶體帶隙中的表面態(tài)。
【樣品 & 測試】作者使用電感耦合等離子體增強化學氣相沉積方法（ICP-CVD），利用面內的旋轉對稱性，選用二氧化硅和氮化硅材料制備一維的節(jié)線環(huán)光子晶體，如圖2a 所示。隨后將部分氮化硅替換為富硅氮化硅，打破結構的空間反演對稱性，制備出一維能脊光子晶體。最后，作者使用電子束蒸發(fā)方法在樣品表面鍍上一層銀膜，發(fā)現(xiàn)了光學 Tamm 表面態(tài)。為證實節(jié)線環(huán)、能脊態(tài)、Tamm 表面態(tài)的存在，作者使用角分辨光譜儀 R1 對樣品的能帶進行了角分辨反射譜測量，如圖2b 所示。
圖2，一維節(jié)線環(huán)光子晶體及角分辨光譜測試示意圖
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通過三次角分辨反射譜測量，作者分別在 450THz 附近觀察到節(jié)線環(huán)（圖3d）、350THz 附近觀察到能脊態(tài)（圖3e）及 350~400THz 附近觀察到 Tamm 表面態(tài)（圖3f） ，且這些現(xiàn)象的形態(tài)與位置都與仿真結果（圖3a-c）高度相近，充分證實了一維光子晶體實現(xiàn)光學節(jié)線環(huán)簡并態(tài)和能脊態(tài)的潛力。
圖3，一維光子晶體理論結果（a, b, c）與測試結果圖（d, e, f）
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【總結】綜上，作者利用簡單的全介質一維光子晶體實現(xiàn)了復雜的節(jié)線環(huán)和能脊態(tài)，為在光學波段實現(xiàn)表面態(tài)的負折射、表面結構依賴的古斯–漢森位移等光學現(xiàn)象提供了基礎。同時，通過理論仿真與實驗測量說明了了一維節(jié)線環(huán)光子晶體在簡并態(tài)及其相關的拓撲表面態(tài)的巨大潛力。在樣品有效性驗證過程中，復享光學的角分辨光譜儀 R1 被證明是一種直觀且高效的檢測工具。▌
【參考文獻】
? 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
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