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Jul 17, 2023

Helicóide fotônico

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 13934 (2023) Citar este artigo 89 Acessos Detalhes da Métrica Investigamos as fases topológicas fotônicas em metamateriais quirais caracterizados pelo

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 13934 (2023) Citar este artigo

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Investigamos as fases topológicas fotônicas em metamateriais quirais caracterizados pelos tensores magnetoelétricos com componentes diagonais de quiralidade. O meio subjacente é considerado um análogo fotônico do semimetal topológico caracterizado por um cone de Weyl e uma superfície cilíndrica no espaço vetorial de onda de frequência. À medida que a condição degenerada de 'spin' é satisfeita, o sistema fotônico pode ser reorganizado como dois modos híbridos completamente desacoplados. Ao introduzir os estados de pseudospin como base para os modos híbridos, o sistema fotônico é descrito por dois subsistemas na forma de hamiltonianos spin-órbita de spin 1, que resultam em números de Chern de spin diferentes de zero que determinam as propriedades topológicas. Os modos de superfície na interface entre o vácuo e o metamaterial quiral existem em sua lacuna comum no espaço vetorial de onda, que são formulados analiticamente por equações algébricas. Em particular, os modos de superfície formam um par de folhas de superfície em espiral envolvendo o cone de Weyl, assemelhando-se aos estados de superfície helicoidal que ocorrem em semimetais topológicos. Na frequência de Weyl, os modos de superfície contêm dois estados semelhantes ao arco de Fermi que se concatenam para produzir um segmento de linha reta.

Fases topológicas são novas fases da matéria caracterizadas por quantidades inteiras conhecidas como invariantes topológicos, que permanecem constantes sob deformações contínuas arbitrárias do sistema. O estado Quantum Hall (QH)1 é o primeiro exemplo de fase topológica bidimensional (2D), pertencente à classe com simetria de reversão de tempo (TR) quebrada devido à presença de um campo magnético estático. O estado Hall de spin quântico (QSH)2,3,4 é uma fase topológica 2D diferente sem o campo magnético e preserva a simetria TR, onde o acoplamento spin-órbita é responsável pelos caracteres topológicos. As propriedades topológicas dos estados QH são caracterizadas por invariantes TKNN ou números de Chern5, enquanto as dos estados QSH são caracterizadas por invariantes \(Z_2\)2 ou números de Chern de spin6. Os conceitos teóricos desenvolvidos nos estados QSH são generalizados para três dimensões (3D), levando à classe mais geral de isoladores topológicos 3D .

Uma característica notável do estado QSH é o surgimento de estados de borda sem intervalos dentro do intervalo de banda em massa. A direção de propagação dos estados de borda é bloqueada pelo spin9, o que permite estados de borda topologicamente protegidos que se propagam unidirecionalmente sem retroespalhamento10. Como os estados de borda são protegidos pela topologia em massa, eles são insensíveis a pequenas perturbações que não alteram a topologia. Semelhante ao caso das fases topológicas 2D, estados de superfície sem intervalos aparecem dentro do intervalo de bandas entre duas bandas topologicamente distintas em isoladores topológicos 3D , que podem ser realizados em sistemas TR quebrados 13,14 e TR invariantes . Em contraste com os isoladores topológicos 3D que são fases topológicas com gap, as fases topológicas sem gap 3D são um novo tipo de fases conhecidas como semimetais topológicos .

A maioria dos semimetais topológicos são caracterizados por degenerescências de Weyl, que são degenerescências entre bandas topologicamente desiguais. A principal assinatura das fases topológicas sem intervalos 3D é o aparecimento de pontos de Weyl existentes nos sistemas que carecem de simetria TR, simetria de inversão ou ambas. Os pontos de Weyl são entendidos como os monopolos da curvatura de Berry no espaço de momentos que carregam cargas topológicas quantizadas, que são iguais aos invariantes topológicos do sistema. Uma perspectiva útil sobre os semimetais de Weyl é vê-los como o estado de transição entre um isolante topológico e um isolante trivial . Uma característica importante dos pontos de Weyl é a existência de arcos de Fermi que conectam os pontos de Weyl, correspondendo aos estados de superfície topologicamente protegidos que são robustos contra a desordem. Em particular, os estados de superfície podem formar uma folha de superfície em espiral que conecta os cones volumétricos superiores e inferiores, que são protegidos de serem abertos por simetrias não-simmórficas e denominados estados de superfície helicoidal .