来源：知社学术圈
近年来对拓扑能带的研究将传统的二重和三重简并点推广到高阶简并点，从而产生了许多新奇的现象。其中被称为charge-2狄拉克点(CDPs)的四重能带简并点近来在某些凝聚态物质系统中被发现。由于传统的三维狄拉克点是由一对手性相反的外尔点重叠而成，其净拓扑荷数为零，因而不能引起拓扑保护的表面态。然而，与传统的三维狄拉克点不同，CDPs具有非零净拓扑电荷的特征（拓扑荷数为±2 ），可以导致全新的拓扑表面态。
近日，南京大学刘辉教授与祝世宁院士团队与帝国理工大学的丁鲲博士后合作，在Communications Physics上发表题为“Realization of photonic charge-2 Dirac point by engineering super-modes in topological superlattices”的研究论文(Commun Phys 3, 130 (2020))。论文报道了在一维光学拓扑超晶格结构中利用人工合成维度，首次成功构造了可见光频域的CDPs，并实现了对其所引起的拓扑表面态的灵活调控。
在本工作中，作者先通过特殊设计，交替堆叠两种拓扑性质不同的一维光子晶体而得到了超晶格结构。因而，在每个光子晶体界面处都存在拓扑局域态，它们作为“人工光子轨道”，彼此杂化耦合形成集体模式，得到全新的人工拓扑能带。在这个系统中，每个轨道的在位能可以通过调整界面层介质厚度轻易调节，相邻两个光子轨道的耦合系数（包括强度和符号）可以由改变光子晶体的周期数灵活调控。因此，作者合理地引入与在位能和耦合系数相关的两个人工维度，在一维超晶格实现了高度可调的三维拓扑能带，大大降低了实验难度并带来新的效应。
进一步考虑光子的偏振特性，每个光子轨道都存在TE和TM两种模式，所以还具备赝自旋自由度。于是，不同自旋的拓扑能带可以由不同偏振的入射光来激发,并通过透射谱直接进行观测。当入射角为零度时，水平波矢为零，TE和TM模式简并，它们各自对应相同拓扑荷的外尔点，在人工空间重叠而构成了CDP；当入射角度逐渐增大，水平波矢不再为零，TE和TM模式简并解除导致对应外尔点在人工空间相互分离。这种简并解除类似电子系统中的塞曼效应，其中水平波矢充当了有效磁场，而通过对不同偏振入射角的控制实现了对衍生外尔点的任意调控。
另一方面，CDPs拓扑荷不为零的特性保证了超晶格截断面拓扑表面态的存在。每个偏振下的拓扑表面态，都可以分成两组，对应于人工空间的两个相交平面。在本工作中，作者利用不同入射方向的两种偏振光，激发并通过反射谱观测到了位于不同平面的拓扑表面态。由于该超晶格系统中的拓扑表面态依赖于偏振模式、入射角大小以及入射方向，进而可以用来实现局域场增强，非常有利于实际应用。
本工作的结果表明一维光学拓扑超晶格系统可作为实现各种拓扑效应的良好平台，它不仅可以实现CDPs，也已被证明能实现SSH、RM等等拓扑相。接下来，如果利用损耗材料或者非线性折射率材料来构造超晶格系统，可以进一步去探索非厄米或非线性等拓扑现象。
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