深大團隊首次實現三維光學外爾體系人工磁場

深圳特區報2019年1月17日訊（記者馬璇）日前，深圳大學二維材料光電科技國際合作聯合實驗室項元江課題組與英國伯明翰大學張霜教授課題組、賓夕法尼亞州立大學劉超星教授課題組合作，首次在光學系統中觀測到手性零級朗道能級，并實現了三維光學外爾體系的人工磁場。相關成果以題為“Observation of chiral zero mode in inhomogeneous three-dimensional Weyl metamaterials”發表在國際頂尖期刊Science上。

據介紹，在量子系統中，一個帶電荷的粒子在外磁場的作用下在垂直于磁場的方向的運動會被束縛，從而產生了分立的量子能級，即朗道能級。在高能物理中，狄拉克或外爾無質量相對論粒子具有手性對稱性，也就保證了其手性電流為守恒量。然而，目前為止三維光學系統中手性朗道能級還沒有得到觀測。

在此次研究中，課題組首次通過調節外爾超材料中每個元胞內部結構，將整個外爾超材料做成非均勻體系，實現了三維光學外爾體系的人工磁場。該人工磁場能夠產生手性朗道能級，對于不同的外爾點群速度的方向不同。這是光學系統中手性朗道能級的首次觀測。

據了解，該成果提供了一個很好的平臺來研究三維經典系統內由強磁場導致的各種有趣的拓撲現象。觀測到的手性零級朗道能級，由于其單向體傳播的性質，在實現新穎光學器件和系統方面有著潛在的應用。該研究還得到了國家自然科學基金基金的資助。