Fund Project:Project supported by the Open Fund of Jiangsu Key Laboratory of Security Tech. for Industrial Cyberspace, China (Grant No. STICB201906)
Received Date:19 March 2020
Accepted Date:09 May 2020
Available Online:07 June 2020
Published Online:20 September 2020
Abstract:Two kinds of two-dimensional photonic crystal with hexagonal honeycomb lattices are constructed in which the scatterer and the matrix materials are reversed. Due to the symmetry of special point group, the lattices have p and d orbitals in the center of Brillouin region, which are similar to those in the electronic system. With the structure reversal, the p and d orbitals are also directly inverted. Quantitative analysis shows that the orbital inversion is due to the inversion of air band and medium band because of the local resonance effect in the low frequency bands. Based on the parity properties of p and d orbitals, the pseudo spin states are constructed by analogy to the quantum spin Hall effect in electronic systems. The analysis of the effective Hamiltonian at Γ point shows that the topological phase transition caused by orbital inversion is revealed. The pseudo spin edge states construct an optimal structure. The electromagnetic wave simulations and energy flow vector analysis show that the structure edge takes on the properties of quantum spin Hall effect, namely, the propagation direction is locked by the spin direction and the propagation is topologically protected. The results also show that the quantum spin Hall effect can be realized without undergoing the closing of gap. The comparison among similar researches indicates that the realization of the pseudo spin states does not need the deformation of lattice, and the structure proposed in this work possesses the characteristics of simple design, wide band gap and strong edge localization. Keywords:photonic crystal/ structure reversal/ band reversal/ topology transition/ pseudospin
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2.结构模型设计和能带的反转根据光量子自旋霍尔效应的设计要素, 要产生赝自旋的p轨道和d轨道, 需要能带的二重简并. 因为属于C6对称点群的晶格有两个二维不可约表象E1和E2, 分别对应能带的二重简并点, 因此本文考虑一个六角蜂窝晶格, 如图1所示. 该晶格是一个三角晶格的复式格子, 每个格点是两个等价的圆柱形散射体位于基体材料中. 在图1(a)中, 白色空气柱是散射体, 绿色是基体介质; 在图1(b)中, 绿色介质柱是散射体, 白色基体是空气. 图1(a)和图1(b)的晶格是一样的, 但散射体和基体材料正好反转. 为表示方便, 以散射体英文首字母命名图1(a)为A型结构, 图1(b)为D型结构. 六边形是晶格原胞, 其中晶格基矢为${{{a}}_1} = a/2{{i}} + a\sqrt 3 /2{{j}}$, ${{{a}}_2} = a{{i}}$, a为晶格常数, 原胞边长为${a_0} = a\sqrt 3 /3$, 两种结构散射体半径均为a0/3. 图1(c)是计算能带依据的简约布里渊区, Γ, K和M是简约布里渊区3个高对称点. 图 1 六角蜂窝晶格结构模型(六边形是原胞, a1和a2是晶格基矢) (a) A型结构, 散射体是空气柱, 基体是介质; (b) D型结构, 散射体是介质柱, 基体是空气; (c) 晶格第一布里渊区 Figure1. Schematic of hexagonal honeycomb lattice (the hexagon is the unit cell, and a1 and a2 are the basic vectors of lattice): (a) The scatterer and matrix are air rods and dielectric, respectively; (b) the scatterer and matrix are dielectric rods and air, respectively; (c) the first Brillouin zone.
在上述晶格的基础上, 应用基于有限元方法的Comsol软件进行能带的计算. 考虑E极化电磁波(电场Ez分量, 磁场Hx和Hy分量), 介质介电常数为11.7, 扫描方向为M-Γ-K, 结果如图2所示. 图2(a)对应A型的晶格, 在Γ点出现2个能带简并点. 2个简并点的Ez模场特征分别类比于量子力学电子波函数的p轨道和d轨道[19]. 正三角晶格具有C6对称性的晶格结构, 在Γ点的本征态有2个二维不可约表示: E1和E2. 不可约表示E1对应二重简并的偶极子态, 如图2中2个p轨道: px和py, 具有奇宇称; 不可约表示E2对应二重简并的四极子态, 如图2中2个d轨道: $ {\rm{d}}_{{x}^{2}-{y}^{2}} $和d2xy, 具有偶宇称. 当前情况下, d轨道的频率比p轨道频率大, 对应的带隙是拓扑平庸的带隙. 图2(b)对应D型的晶格, 在Γ点也出现2个能带简并点. 根据简并点的Ez模场特征, 它们也分别类比于量子力学电子波函数的p轨道和d轨道. 同样根据正三角晶格的点群特性, 在Γ点的本征态同样有2个二维不可约表示: E1和E2. 不同于图2(a)的是, 不可约表示E1对应二重简并的四极子态, 如图2(b)中2个d轨道: $ {\rm{d}}_{{x}^{2}-{y}^{2}} $和d2xy, 具有偶宇称; 不可约表示E2对应二重简并的偶极子态, 如图2(b)中2个p轨道: px和py, 具有奇宇称. 在图2(b)中, d轨道的频率比p轨道频率小, 与图2(a)比较, 能带轨道被反转, 对应的带隙是拓扑非平庸的. 这里的轨道反转的机制与文献[19]及其他类似的文献不同. 通过晶格原胞的连续变形来实现轨道反转都要经历一个带隙关闭产生双重狄拉克点的过程. 目前情况下, 轨道反转直接在两种结构材料反转的晶格中实现, 没有了带隙关闭再打开的过程, 是实现基于光量子霍尔效应拓扑相变又一种途径. 本文和文献[18]都是通过结构材料的反转实现了拓扑相变, 但文献[18]是基于金属超材料的设计, 本文是基于光子晶体结构. 另外本文设计的是一种全介质结构, 工作频段取决于晶格常数, 不受材料性质的限制, 是可以从微波扩展到光波. 文献[21]同样利用两个反转的二维正方格子光子晶体构造边界态, 但需要用Zak相位描述能带的拓扑性质. 另外由于结构是C4点群对称, 无法构建光量子自旋霍尔效应的拓扑边界态. 图 2 两种结构的能带和在Γ点的p轨道和d轨道 (a) A型结构; (b) D型结构 Figure2. Band structures of the hexagonal honeycomb lattices, and the orbitals of p and d: (a) Type A; (b) type D.
在图4结构参数的基础上, 构建三明治结构的超胞, 如图5(a)所示. 中间D型结构层属拓扑非平庸相, 两边A型结构层属拓扑平庸相. 超胞产生的投影能带如图5(b)所示, 波矢扫描方向为Γ-K方向. 此带隙位置和图4公共带隙基本一致, 相对带隙宽度${{\Delta \omega }}/{{{\omega _{\rm{c}}}}} = $ 13%. 与用晶胞缩放产生的带隙宽度相比较, 具有明显的优势. 例如, 从文献[19]估算出相对带隙宽度${{\Delta \omega }}/{{{\omega _{\rm{c}}}}} = $ 6.3%. 在文献[28]中, 形成边界态的两个光子晶体的公共带隙频率从7.40 GHz到7.56 GHz, 相对带隙宽度为2.14%. 文献[36]是通过晶胞中心介质柱半径的变化产生赝自旋边界态, 其频率带隙更小, 大约为0.00021c/a. 较大的带隙宽度能保证边界态有较好的局域性, 提高边界态的传输性能. 图5(b)带隙中的两条粗(红)线属于边界态色散曲线, 上面两点A和B对应${k_x} = \mp 0.1 (2{\text{π}}/a)$. 值得注意的是, 曲线上每一点对应二重简并, 是受时间反转对称保护的赝自旋顺时针和赝自旋逆时针的两个态, 分别属于D型结构层左右不同的边界. 在图5(c)中, 画出了点A和B对应的模场Ez的分布以及界面处的能流密度矢量, 左侧图形对应超胞左边界, 右侧图形对应超胞右边界. 可以看出, 模场完全局域在两种结构的界面处. 从放大的能流矢量可以看出, 能流矢量涡旋不在边界, 而是偏向非平庸层一侧. 从能流的旋转方向看, 点A在拓扑非平庸层的左边界是顺时针赝自旋, 右边界是逆时针赝自旋; 点B相反, 在拓扑非平庸层的左边界是逆时针赝自旋, 右边界是顺时针赝自旋. 对下面的带也可作同样的分析, 不过在同一波矢处, 上下带模式点的赝自旋方向正好相反. 这样在每个边界上(不管是左侧边界迹是右侧边界), 都存在2个边界态, 每个边界态对应一个特定的赝自旋, 且方向被锁定, 因此, 这种边界态是手性的. 由于受时间反转对称的保护, 在同一边界, 两个相反赝自旋的边界态彼此正交, 因此后向的散射被禁止, 边界态具有拓扑保护的性能. 图 5 边界态的构建与分析 (a) 超胞; (b) 超胞的带结构; (c) 模式分析; 图(c)给出图(b)边界态A 和B两点在拓扑非平庸层(中间层)左、右两侧边界激发的模场Ez和边界靠非平庸层一侧的能流矢量, 它们分别对应不同旋转方向的赝自旋, 分别用旋转箭头表示; 由于边界处能流矢量比涡旋处能流矢量大很多, 为了看清矢量旋转方向, 将矢量图的位置向非平庸层方向进行了适当的偏离 Figure5. Construction and analysis of the edge states: (a) Supercell; (b) bands of the supercell; (c) mode analysis. The mode field Ez of the energy flow vectors of points A and B in (c) reveal the pseudo spins at the two edges of the middle non-trivial layer in (a). Because the energy flow vectors at the edge are much larger than those in the vortex, we move the vector plots to the non-trivial layer for a proper distance.
24.2.拓扑边界态传输 -->
4.2.拓扑边界态传输
上述拓扑边界态的性质可以通过Comsol软件电磁波频域模拟来验证. 构建图6两种结构的边界模型, 上半空间是拓扑非平庸结构, 下半空间是拓扑平庸结构, 对应图5超胞右侧边界, 四周为散射边界条件. 在边界中间设置赝自旋源(白色六角星), 频率分别为0.476$ (2\text{π}c/a) $和0.437($2{\text{π}}c/a$), 分别位于图5(b)中AB和CD所在的位置, 记录归一化电场Ez幅度的分布. 根据图5(c)右边界模场的自旋方向, 在图6(a)中, 逆时针自旋源只能激发模式A, 边界态被锁向–k方向(A点群速度为负), 向左传输; 在图6(b)中, 顺时针自旋源只能激发模式B, 边界态被锁向+k方向(群速度为正), 向右传输. 在图6(c)中, 赝自旋源方向与图6(a)相同, 激发模式D, 边界态也是向左传输; 在图6(d)中, 赝自旋源方向与图6(b)相同, 激发模式C, 边界态向右传输. 插图显示介质柱内能流的旋转方向, 与赝自旋源方向一致, 证明传播方向与自旋方向锁定的关系. 因此在同一边界看自旋方向, 模式A和D、模式B和C同向; 而模式A和B、模式C和D反向. 从能流矢量和场的分布可以看出, 此处边界态具有较强的局域性, 电场幅度向边界两侧延伸很少, 这也是该结构拓扑边界态的优越性. 图 6 赝自旋源(白色六角星)激发的电磁波边界态传输 (a) 频率位置为AB, 逆时针自旋; (b) 频率位置为AB, 顺时针自旋; (c) 频率位置为CD, 逆时针自旋; (d) 频率位置为CD, 顺时针自旋 Figure6. Edge state transmission of electromagnetic wave excited by pseudospin source (white hexagon star): (a) Frequency position at AB and counterclockwise spin; (b) frequency position at AB and clockwise spin; (c) frequency position at CD and counterclockwise spin; (d) frequency position at CD and clockwise spin.
下面验证拓扑边界态抗干扰的鲁棒特性. 二维介质柱阵列和介质板打孔结构的异质结结构在制作上容易在界面上形成缺陷, 这些缺陷会产生逆向散射, 对传输造成不利的影响, 其影响程度可以检验拓扑边界态鲁棒性的大小. 在图6(b)的边界上设置结构缺陷, 如图7(a)和图7(b)插图所示, 在本为空气的区域(黑色)设置成介质构成缺陷. 当缺陷介电常数分别为2.25和11.7时, 传输结果如图7(a)和图7(b)所示. 当缺陷介电常数与空气相近时, 传输结果几乎没有变化. 但是当缺陷介电常数与空气相差较大时, 在逆方向上出现一定的反射, 这种逆反射说明自旋对传输方向的锁定并不是完全的, 也说明了本文结构的局限性. 这种不完全性来源于图5(b)中边界态曲线并没有完全关闭带隙. 接着把边界设置成z型, 如图7(c)和图7(d)所示. 在边界上设置角频率为$0.474\, 6(2{\text{π}}c/a)$顺时针的自旋源(白色六角星). 对一般的z型波导, 电磁波在弯曲处会遇到强烈的散射而无法传输, 但是对于现在的拓扑边界态波导, 源设在边界左侧, 电磁波完全绕过拐角, 几乎没有损耗地沿着波导传输, 图7(c)显示电场Ez的传输结果, 右边插图显示局部拐角处能流矢量的分布情况. 可以看出, 整个电磁波能量完全局域在边界, 通过拐角时几乎没有散射和能量的损耗, 达到理想的传输. 进一步把源沿边界向右移动3个晶格常数距离, 其他条件不变, 场图和能流矢量如图7(d)所示. 除逆向有少量的反射外, 电磁波基本向右传输. 图 7 拓扑边界态鲁棒性的验证, 白色六角星为赝自旋源位置 (a) 电场Ez幅度的分布, 障碍物(插图黑色区域)介电常数2.25; (b) 电场Ez幅度的分布, 障碍物介电常数11.7; (c) 边界态沿z型路线传输Ez场的分布, 插图为局部放大的能流矢量分布; (d) 边界态沿z型路线传输的能流矢量和Ez场的分布, 和图(c)比较, 源向右移动3个晶格常数距离 Figure7. Robust of the topological boundary states and the pseudo-spin source position represented by white hexagonal star: (a) The distribution of the Ez field amplitude with the obstacle (the black area in the illustration) permittivity 2.25; (b) the distribution of the Ez field amplitude with the obstacle permittivity 11.7; (c) the distribution of the Ez field from the edge state transmission along the z-type route (the inset shows a locally amplified Poynting vector distribution); (d) the distribution of the Ez field and the energy flow vectors from the edge state transmission along the z-type route with the source moved 3a to the right.