近日，物理与微电子科学学院电子科学与技术2101班本科生刘冬阳在刘建军副教授的指导下，在美国光学学会权威期刊《Optics Letters》上发表论文。
在单个共同带隙中产生多组拓扑角态可以丰富对拓扑角态的研究并推广其应用。在以往研究工作中，在单个共同带隙中只能产生一至三组拓扑角态，尚未获得四组拓扑角态。此外，以往研究工作主要集中基于具有拓扑平庸态与非平庸态的两种光子晶体产生拓扑态，或基于两种拓扑平庸态的光子晶体产生边界态，尚不清楚基于两种非平庸态的光子晶体是否可以产生拓扑态。
针对上述问题，该论文基于八重Penrose型光子准晶的基本结构单元进行正方晶格阵列提出了两种Penrose-square光子晶体。首先证实这两种光子晶体均可产生拓扑态，然后基于这两种光子晶体构建的箱形结构，在单个共同带隙中产生了两组拓扑边界态及四组拓扑角态。此外，在该论文的补充材料中给出了两种光子晶体互相转化时的相变规律。该论文提出的Penrose-square光子晶体为拓扑光子学及其器件研究提供了新平台，基于两种非平庸光子晶体产生拓扑态为光子晶体产生拓扑态提供了新途径。两种光子晶体的拓扑性质与散射子尺寸密切相关，研究人员可以依据相变规律选择合适的结构参数来构建拓扑光子晶体。同时，可以利用具有不同能带结构的非平庸光子晶体研究得到拓扑态的生成规律，这在提高拓扑光子学器件性能方面具有重要应用前景。
图1 (a) 八重Penrose型光子准晶的基本结构单元晶格；在Penrose型光子准晶的部分格点处布置圆柱形散射子并以正方晶格周期阵列形成Penrose-square光子晶体（图中仅给出了2×2个基本结构单元）：(b) PC1，d1 > d2；(c) PC2，d1 < d2。散射子为锗（其相对介电常数为εra = 16），周围背景为空气（εrb = 1）；两种散射子的直径分别为d1、d2。能带结构：(d) PC1；(e) PC2，通过电场分布可以确定宇称，其中“+”表示偶宇称，“−”表示奇宇称。
图2 (a) 两种Penrose-square光子晶体构建箱形结构时的本征频谱，红点表示拓扑角态，蓝点表示拓扑边界态，黑点表示体态。(b) 折线波导结构及其拓扑边界态，激发光源位于红星位置，PC2位于波导上方，PC1位于波导下方。(c) 点C7-C10处的本征模。(d) 设置光源时的电场分布，光源位于两种光子晶体交界面的左上角（图(a)中的红星）。
该论文得到了国家自然科学基金、湖南省自然科学基金、广东省基础与应用基础研究基金、“区域光纤通信网与新型光通信系统国家重点实验室”开放基金、大学生创新创业训练计划创新训练项目及学院“本科生科研能力提升计划”的支持。
刘建军副教授在学院“本科生科研能力提升计划”的支持下，现已指导本科生一作发表SCI论文30余篇、授权中国发明专利2项及国内外名校深造同学60余名。
文章链接：https://opg.optica.org/ol/abstract.cfm?uri=ol-49-9-2393
DOI: https://doi.org/10.1364/OL.520866
