光学Weyl超材料中费米弧表面态的单向免疫传输和可重构路径

       近年来，具有Weyl点的拓扑材料已成为电子相关系统、电磁系统和声学系统领域的研究热点。Weyl点可被视为动量空间中的磁单极子，除非一对具有相反拓扑荷的Weyl点相互湮灭，不然Weyl点是稳定存在的。事实上，Weyl点的出现需要打破时间反演或空间反演对称性，或两者兼而有之。Weyl半金属表现出的非凡的传输特性也令它在凝聚态、光子和声子系统中得到了广泛的研究。在Weyl半金属中，体-表面对应保证了两种拓扑不同材料之间的界面处存在费米弧表面态。非平庸的费米弧是Weyl半金属拓扑性质的显着特征，它连接了相反手性的Weyl点的投影。对费米弧的研究为理解非平凡拓扑半金属的新物理奠定了基础，并在器件应用中具有潜力。在凝聚态物质系统中，拓扑保护的费米弧表现出非常规的量子振荡、磁阻、反常量子干涉效应、磁输运和手征磁效应。

       众所周知，对称性在拓扑材料的物理学中起着重要作用。基于对称的指标已被证明是诊断和预测拓扑半金属的强大理论工具。最近，在旋磁超材料和手性超材料中都研究了三维光子拓扑Weyl简并性。它们的拓扑性质明显不同。由于旋磁效应，旋磁超材料的时间反演对称性被打破。相反，手性效应的引入打破了手性超材料的空间反演对称性。此外，手性效应可以存在于多种自然介质中，超材料的发展使人们能够合成强手性材料。另一方面，为了实现旋磁效应，研究者在制造过程中混合了磁性介质。现在，已经在光子晶体、声子晶体和光子超材料中研究了费米弧表面态。然而，关于两种不同Weyl材料之间界面处的费米弧表面态的研究很少。因此，自然会产生两个问题。我们能否在一个光子系统中实现具有不同对称保护机制的两种Weyl材料边界处的费米弧表面态？如果是这样，这种新颖的拓扑配置会带来哪些有趣的现象？

       近日，来自哈尔滨工业大学物理学院的Mingzhu Li等人证明了在两种不同拓扑Weyl介质之间的界面处存在多个具有相同传输方向的光子费米弧。表面波不受缺陷类型和数量的影响，可以绕过缺陷进行稳定的单向传输，这证实了费米弧的无序免疫特性。通过改变H形通道中Weyl超材料的旋磁和手征参数，可以很好地实现费米弧面波的可重构路径。此外，通过采用不同符号的传播常数和不同的T形通道界面配置，可以实现费米弧的单向激发和可控传输。他们的论文提供了对两个拓扑Weyl系统之间费米弧拓扑性质的深入了解。相关研究工作发表在《Physical Review B》上。（张晓萌）

      文章链接：Mingzhu Li et al. Unidirectional disorder-immune transmission and reconfigurable route of Fermi arcs in photonic topological Weyl metamaterials. Physical Review B 106, 075301 (2022) DOI: 10.1103/PhysRevB.106.075301