美国科学家找到半光子半声子的新状态

10/16/2021，光纤在线讯，Photonics报道，纽约城市学院CCNY的一个研究小组近日展示了他们将拓扑光子-与晶格振动（也称为声子）相结合，实现对其传播稳健且可控的操纵的工作。

所谓拓扑光子是基于拓扑光子学，这是光子学中的一个新兴方向，它利用拓扑数学领域关于守恒量（拓扑不变量）的基本思想，在连续变形下改变几何对象的部分时保持不变。此类不变量的最简单示例之一是孔数，例如，从拓扑的角度来看，这使甜甜圈和马克杯等效。拓扑特性赋予光子螺旋性，当光子在传播时自旋，导致独特和意想不到的特性，例如对缺陷的鲁棒性和沿着拓扑不同材料之间界面的单向传播。由于与晶体振动的相互作用，这些螺旋光子可用于引导红外光 随着振动。

CCNY的研究者在六方氮化硼hBN材料上实现了光子声子的结合，hBN成为控制和传导光子声子结合态的平台。实验中产生的极化声子的拓扑边缘状态携带了和其传播方向锁定的非零的角动量信息，这种物理性质确保了其容易被传输。结果是，拓扑的准粒子保证了红外声子的汇集，同时受到沿着任意通道传播并跨越锐角的红外光子的影响。

这项研究的价值在于有助于未来拉曼和振动的，或者红外的光谱学发展，以及热传导的定向辐射。

图：顶部有一层六方氮化硼的独特拓扑的光子晶体（橙色和蓝色）能够耦合拓扑光和晶格振动，以形成手性半光半振动激发，可以沿一维通道以稳健的方式定向引导。

根据CCNY Grove工程学院的Alexander Khanikaev教授，这种新材料是半光半振动的新状态。因为红外光和晶格振动和热联系在一起，他们找到了光和热在一起传播的新通道。以往，晶格振动非常难以被控制，沿着晶格缺欠和锐角传导更加是不可能的。

“我们可以为这种形式的混合光和物质激发创建任意形状的通道，以便在我们创建的二维材料中进行引导，”Khanikaev 教授小组的博士后研究员、该论文的第一作者 Sriram Guddala 博士补充道：“这种方法还允许我们沿着这些通道向前或向后切换振动的传播方向，只需通过切换入射激光束的偏振手性即可。有趣的是，随着声子极化子的传播，振动也随电旋转。”

这个研究成果被发表在科学杂志上 (www.doi.org/10.1126/science.abj5488)。