打破时间反演对称性的光学外尔点

来源：中国激光

       天津大学太赫兹研究中心韩家广教授、国防科技大学杨镖博士与英国伯明翰大学张霜教授课题组合作，利用磁化半导体材料在太赫兹波段观测到了光学外尔（Weyl）点和费米弧（Fermi-arc）表面态，这是在经典体系中观测到的打破时间反演对称性导致的外尔点，也是在无周期结构的均匀材料体系中发现的外尔点。相关成果以“Photonic Weyl points due to broken time-reversal symmetry in magnetized semiconductor”为题于8月19日在线发表于Nature Physics。

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外尔点是指三维波矢空间中的两个能带之间的线性简并点。外尔点是产生贝里曲率(Berry Curvature)的拓扑源，而贝里曲率在三维动量空间中与实空间中的磁场是相对应的。因此外尔点又被称作动量空间中的磁单极。一个系统中外尔点的存在要求打破时间或者空间反演对称性。在光学系统中通过打破空间反演对称性而实现的外尔点已经在精心设计的光子晶体、超材料以及波导系统中被实验验证。

然而，在经典系统中，由于时间反演对称性的破缺而形成的外尔系统还没有被实验验证。跟空间反演对称破缺导致的外尔系统相比，时间反演对称性的破坏而导致的外尔点具有更有趣的特性，例如轴向异常，新的量子振荡现象，以及一些特异的拓扑特征，例如Majorana型边缘态和零模式等等。  

为了实现由时间反演对称破缺而导致的外尔点，研究团队提出了利用半导体材料锑化铟（InSb）的办法。锑化铟的电子有效质量特别小，只有自由空间电子质量的百分之十六左右。因而在外加磁场下，电子的回旋频率可以达到太赫兹。锑化铟材料构建的磁化等离子体系统在太赫兹波段就会有着很强的磁光效应，因而打破了时间反演对称性。

图1 波矢空间和参数空间的外尔点。

沿着外加磁场方向，在等离子频率存在两个正交的模式，分别是纵模和圆偏振模式，从而在能带结构中形成二重简并点，即为外尔点。而这一简并点正好在太赫兹波段。然而由于波矢空间的重建对应着入射角度的扫描，很难在低温，外加磁场等苛刻的实验要求下实现。研究人员通过扫描磁场强度，构建了由外加磁场和两个与其垂直的波矢分量所组成的等效的三维参数空间，使对外尔点的实验观测成为可能，如图1所示。

图2 外尔点的实验观测。（a）样品结构示意图；（b）实验测量系统示意图；（c-d）仿真与实验测量结果.其中红色实线为纵模，黑色实线为圆偏振模式，二者的交叉点为外尔点，虚线为表面态位置。

在实验中，天津大学与伯明翰大学的科研人员通过在锑化铟表面设计合适周期的光栅结构，满足激发外尔点所需的波矢匹配条件，然后利用太赫兹时域光谱系统对不同磁场强度下样品的反射谱进行测量，探测出不同电磁波模式在固定入射角而改变磁场条件下的色散关系。外尔点则会出现在纵模和圆偏振的横模相交的位置，如图2所示。

图3 倾斜入射情况下外尔系统表面态的测量。（a）实验测量和样品示意图；（b）外尔点在样品表面的投影；（c-e）光栅角度为-30°情况下的计算，仿真和实验测量结果；（f-h）光栅角度为-45°情况下的计算，仿真和实验测量结果。

对于外尔点系统而言，费米弧表面态是最重要的特征。费米弧是连接具有不同拓扑数的体态投影的表面态。通过对入射角度的调整以及光栅角度的控制实现了对表面态的详细测量，验证了外尔系统的拓扑性质，如图3。

本工作对磁化等离子体外尔系统的观测，可以为经典系统中其它拓扑现象的研究提供借鉴，促进相关系统中手性Majorana型边缘态以及零模式的研究。而通过对空间磁场或温度的调控可以进一步构建规范场，用以观测手性和引力反常现象等。

论文第一作者是天津大学王东阳博士和国防科技大学杨镖博士。该项研究得到了中国国家自然科学基金委重点国际合作项目（No. 61420106006)）和面上项目（No. 61875150）的支持。

文章链接： 

https://www.nature.com/articles/s41567-019-0612-7