二维材料光电科技国际合作联合实验室范滇元院士团队在物理学顶级期《Physical Review Letters》上发表超材料三维光子狄拉克点最新研究成果
近期，我校范滇元院士团队与英国伯明翰大学张霜教授课题组合作，利用电磁波的不同偏振态之间的正交性，第一次用等效介质实现了三维的光子狄拉克点。相关成果以题为“Three Dimensional Photonic Dirac Points in Metamaterials”发表在Physical Review Letters期刊上。深圳大学博士后郭清华为论文第一作者，项元江副教授和访问教授张霜为共同通讯作者，深圳大学和英国伯明翰大学为论文共同完成单位。
图1. 等效材料的色散关系 ：(a) 三维的色散关系和两个狄拉克点的分布（圆球），(b) 沿着ky 和kz的色散关系，(c) kz 固定在狄拉克点的位置，沿着ky方向的色散关系
该研究发现，通过设计共振的等效介质，利用电磁波两个横模和两个纵模的正交性，实现了四重简并的狄拉克点，如上图所示，图中的蓝色小球标记狄拉克点的位置。为了验证在狄拉克点附近的色散关系，沿不同的动量方向给出了相应的色散曲线，从图中可以清晰地看到线性的四重简并点。
他们在分析了等效介质实现的狄拉克系统后，设计了一种实际的超材料来实现这些物理特性，根据实现四重简并点的偏振需要，设计了下图 (a) 所示的超材料，弹簧组合可以实现两正交横模和两个正交的纵模，为狄拉克点的形成提供了必要的条件。(b) 和 (c) 给出了超材料沿不同方向的色散系，(d) 给出了超材料和空气界面的表面态弧的分布，实现了等效介质下的狄拉克系统。
图2 实际的狄拉克超材料的设计：(a) 超材料单元结构，(b)，(c) 沿不同k方向的色散关系，(d)狄拉克点与空气等频线之间表面弧的分布
该工作利用电磁波的电磁对偶特性，实现了三维的光子狄拉克系统，并且分析了自旋选择的表面弧的分布情况。这一理论模型为拓扑光子系统的理解提供了重要帮助。通过狄拉克材料的分析，他们把经典的涡旋和矢量光束与这种拓扑狄拉克系统联系在一起，不仅有效的帮助了大家的理解，并且为狄拉克系统的应用提供了方法。
该工作得到了国家自然科学基金、深圳市基础研究项目和广东省自然科学基金的资助。论文链接：
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.119.213901