太赫兹光子拓扑绝缘体研究

作     者：李会昌 

作者单位：南昌大学 

学位级别：硕士

导师姓名：邓晓华;沈云

授予年度：2022年

学科分类：07[理学] 070205[理学-凝聚态物理] 0702[理学-物理学] 

主      题：太赫兹 光子拓扑绝缘体 拓扑相变 拓扑折射 非厄米拓扑 

摘      要：随着科学研究的不断突破,Sixth-Generation(6G)时代即将到来,太赫兹(Terahertz,THz)波段是国际上预测的下一代高速无线通信的关键。制备THz波导芯片时,需要将大量光学器件高度集成到波导芯片上,器件的稳健性决定了波导芯片整体的可靠性和制造成本。近年来,研究者们发现,稳健性与凝聚态中的拓扑这一新兴领域紧密相连,因此,光子拓扑绝缘体的研究正受到广泛关注。光子拓扑绝缘体的优异特性得益于其类似经典凝聚态中电子拓扑系统的拓扑相变,拓扑相变的关键在于通过打破时间反转对称性或反转对称性,进而破缺简并点出现能带反转,这可以实现在光学系统中模拟量子谷霍尔效应。另外,光子是具有有限寿命的非守恒粒子,在光学器件中,光子会受到各种非平衡过程的影响,从介质材料的增益和吸收,到由开放系统的能量交互和破坏拓扑保护的缺陷引起的辐射损失,实际的光学系统一般是非厄米系统。研究谷霍尔类似和非厄米光学系统对THz波导器件的实际应用具有重大意义。本文内容围绕THz波段的波导器件展开研究,通过理论分析与数值仿真相结合的方法研究了THz波段谷霍尔类似和非厄米光子拓扑绝缘体的拓扑性质。主要研究内容如下:1、设计了一个基于开口环旋转破缺C对称性的谷霍尔类似光子拓扑晶体,其原胞由类Kagome晶格排布的三个可旋转开口环组成,以两种方式旋转开口环均可实现模型从C 对称到C对称的破缺,在破缺C对称后,狄拉克简并点打开并出现两能带反转和三能带反转,此外,不同拓扑相的谷霍尔类似结构可构造不同谷投影的拓扑界面态,在入射到背景材料中时出现正折射和负折射现象,通过相位匹配条件计算得到在0.102THz时负折射角度为-75.8°,并具备抑制背向散射传输和克服缺陷传输的强鲁棒性。2、提出了非厄米光子拓扑绝缘体和伪Parity-Time(PT)对称畴壁系统概念。本文中通过考虑凝聚态模型中非零的位能虚部来实现非厄米因子的引入,从最简单的一维Su–Schrieffer–Heeger(SSH)模型引入非厄米概念,然后探讨了二维情况下蜂窝格子和Benalcazar-Bernevig-Hughes(BBH)模型的非厄米拓扑,并提出了一个基于非厄米系统的伪PT对称畴壁系统概念,该畴壁系统中存在可被准确预测的“实值边界态。