搜索

文章查询

x

留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

超构材料中的光学量子自旋霍尔效应

龙洋 任捷 江海涛 孙勇 陈鸿

超构材料中的光学量子自旋霍尔效应

龙洋, 任捷, 江海涛, 孙勇, 陈鸿
PDF
导出引用
导出核心图
  • 电子的量子自旋霍尔效应的发现推进了当今凝聚态物理学的发展,它是一种电子自旋依赖的具有量子行为的输运效应.近年来,大量的理论和实验研究表明,描述电磁波场运动规律的麦克斯韦方程组内禀了光的量子自旋霍尔效应,存在于界面的倏逝波表现出强烈的自旋与动量关联性.得益于新兴的光学材料:超构材料(metamaterials)的发展,不仅能够任意设定光学参数,同时也能引入很多复杂的自旋-轨道耦合机理,让我们能够更加清晰地了解和验证其中的物理机理.本文对超构材料中量子自旋霍尔效应做了简要的介绍,内容主要包括真空中光的量子自旋霍尔效应的物理本质、电单负和磁单负超构材料能带反转导致的不同拓扑相的界面态、拓扑电路系统中光量子自旋霍尔效应等.
      通信作者: 任捷, xonics@tongji.edu.cn
    • 基金项目: 国家自然科学基金(批准号:11775159)和上海市自然科学基金(批准号:17ZR1443800)资助的课题.
    [1]

    Thouless D J, Kohmoto M, Nightingale M P, den Nijs M 1982 Phys. Rev. Lett. 49 405

    [2]

    Sinova J, Culcer D, Niu Q, Sinitsyn N A, Jungwirth T, Macdonald A H 2004 Phys. Rev. Lett. 92 126603

    [3]

    Murakami S, Nagaosa N, Zhang S C 2003 Science 301 1348

    [4]

    Kane C L, Mele E J 2005 Phys. Rev. Lett. 95 226801

    [5]

    Bernevig B A, Hughes T L, Zhang S C 2006 Science 314 1757

    [6]

    Hasan M Z, Kane C L 2010 Rev. Modern Phys. 82 3045

    [7]

    Qi X L, Zhang S C 2011 Rev. Modern Phys. 83 1057

    [8]

    Haldane F D M, Raghu S 2008 Phys. Rev. Lett. 100 013904

    [9]

    Wang Z, Chong Y, Joannopoulos J D, Soljacic M 2009 Nature 461 772

    [10]

    Fang K, Yu Z, Fan S 2012 Nature Photon. 6 782

    [11]

    Khanikaev A B, Mousavi S H, Tse W K, Kargarian M, Macdonald A H, Shvets G 2012 Nature Mater. 12 233

    [12]

    Lu L, Joannopoulos J D, Soljačić M 2014 Nature Photon. 8 821

    [13]

    Bliokh K Y, Smirnova D, Nori F 2015 Science 348 1448

    [14]

    Bliokh K Y, Niv A, Kleiner V, Hasman E 2008 Nature Photon. 2 748

    [15]

    Belinfante F J 1940 Physica 7 449

    [16]

    Berry M V 2009 J. Opt. A: Pure and Applied Optics 11 094001

    [17]

    Bliokh K Y, Dressel J, Nori F 2014 New J. Phys. 16 093037

    [18]

    Bliokh K Y, Bekshaev A Y, Nori F 2014 Nature Commun 5 3300

    [19]

    Bekshaev A, Bliokh K Y, Soskin M 2011 J. Opt. 13 053001

    [20]

    Stone M 2015 Science 348 1432

    [21]

    Bliokh K Y, Rodríguez-Fortuño F J, Nori F, Zayats A V 2015 Nature Photon. 9 796

    [22]

    Aiello A, Banzer P, Neugebauer M, Leuchs G 2015 Nature Photon. 9 789

    [23]

    Bliokh K Y, Nori F 2015 Phys. Reports 592 1

    [24]

    Van Mechelen T, Jacob Z 2016 Optica 3 118

    [25]

    Bekshaev A Y, Bliokh K Y, Nori F 2015 Phys. Rev. X 5 011039

    [26]

    Bliokh K Y, Bekshaev A Y, Nori F 2013 New J. Phys 15 033026

    [27]

    Petersen J, Volz J, Rauschenbeutel A 2014 Science 346 67

    [28]

    Rodríguez-Fortuño F J, Marino G, Ginzburg P, O’Connor D, Martínez A, Wurtz G A, Zayats A V 2013 Science 340 328

    [29]

    Yin X, Ye Z, Rho J, Wang Y, Zhang X 2013 Science 339 1405

    [30]

    Shitrit N, Yulevich I, Maguid E, Ozeri D, Veksler D, Kleiner V, Hasman E 2013 Science 340 724

    [31]

    Lin J, Mueller J P B, Wang Q, Yuan G, Antoniou N, Yuan X C, Capasso F 2013 Science 340 331

    [32]

    Kapitanova P V, Ginzburg P, Rodríguez-Fortuño F J,Filonov D S, Voroshilov P M, Belov P A, Zayats A V 2014 Nature Commun. 5 3226

    [33]

    Guo Z, Jiang H, Long Y, Yu K, Ren J, Xue C, Chen H 2017 Sci. Reports 7 7742

    [34]

    Tan W, Sun Y, Chen H, Shen S Q 2014 Sci. Reports 4 3842

    [35]

    Shi X, Xue C, Jiang H, Chen H 2016 Opt. Express 24 18580

    [36]

    Silveirinha M G 2015 Phys. Rev. B 92 125153

    [37]

    Silveirinha M G 2016 Phys. Rev. B 93 075110

    [38]

    Caloz C, Itoh T 2005 Electromagnetic Metamaterials: Transmission line Theory and Microwave Applications (New York: John Wiley & Sons)

    [39]

    Weeks C, Franz M 2010 Phys. Rev. B 82 085310

    [40]

    Goldman N, Urban D F, Bercioux D 2011 Phys. Rev. A 83 063601

    [41]

    Zhu W W, Hou S S, Long Y, Chen H, Ren J 2017 arXiv:1710.07268 [cond mat.mes hall]

    [42]

    Mecklenburg M, Regan B C 2011 Phys. Rev. Lett. 106 116803

    [43]

    Song D, Paltoglou V, Liu S, Zhu Y, Gallardo D, Tang L, Chen Z 2015 Nature Commun. 6 6272

    [44]

    Ningyuan J, Owens C, Sommer A, Schuster D, Simon J

  • [1]

    Thouless D J, Kohmoto M, Nightingale M P, den Nijs M 1982 Phys. Rev. Lett. 49 405

    [2]

    Sinova J, Culcer D, Niu Q, Sinitsyn N A, Jungwirth T, Macdonald A H 2004 Phys. Rev. Lett. 92 126603

    [3]

    Murakami S, Nagaosa N, Zhang S C 2003 Science 301 1348

    [4]

    Kane C L, Mele E J 2005 Phys. Rev. Lett. 95 226801

    [5]

    Bernevig B A, Hughes T L, Zhang S C 2006 Science 314 1757

    [6]

    Hasan M Z, Kane C L 2010 Rev. Modern Phys. 82 3045

    [7]

    Qi X L, Zhang S C 2011 Rev. Modern Phys. 83 1057

    [8]

    Haldane F D M, Raghu S 2008 Phys. Rev. Lett. 100 013904

    [9]

    Wang Z, Chong Y, Joannopoulos J D, Soljacic M 2009 Nature 461 772

    [10]

    Fang K, Yu Z, Fan S 2012 Nature Photon. 6 782

    [11]

    Khanikaev A B, Mousavi S H, Tse W K, Kargarian M, Macdonald A H, Shvets G 2012 Nature Mater. 12 233

    [12]

    Lu L, Joannopoulos J D, Soljačić M 2014 Nature Photon. 8 821

    [13]

    Bliokh K Y, Smirnova D, Nori F 2015 Science 348 1448

    [14]

    Bliokh K Y, Niv A, Kleiner V, Hasman E 2008 Nature Photon. 2 748

    [15]

    Belinfante F J 1940 Physica 7 449

    [16]

    Berry M V 2009 J. Opt. A: Pure and Applied Optics 11 094001

    [17]

    Bliokh K Y, Dressel J, Nori F 2014 New J. Phys. 16 093037

    [18]

    Bliokh K Y, Bekshaev A Y, Nori F 2014 Nature Commun 5 3300

    [19]

    Bekshaev A, Bliokh K Y, Soskin M 2011 J. Opt. 13 053001

    [20]

    Stone M 2015 Science 348 1432

    [21]

    Bliokh K Y, Rodríguez-Fortuño F J, Nori F, Zayats A V 2015 Nature Photon. 9 796

    [22]

    Aiello A, Banzer P, Neugebauer M, Leuchs G 2015 Nature Photon. 9 789

    [23]

    Bliokh K Y, Nori F 2015 Phys. Reports 592 1

    [24]

    Van Mechelen T, Jacob Z 2016 Optica 3 118

    [25]

    Bekshaev A Y, Bliokh K Y, Nori F 2015 Phys. Rev. X 5 011039

    [26]

    Bliokh K Y, Bekshaev A Y, Nori F 2013 New J. Phys 15 033026

    [27]

    Petersen J, Volz J, Rauschenbeutel A 2014 Science 346 67

    [28]

    Rodríguez-Fortuño F J, Marino G, Ginzburg P, O’Connor D, Martínez A, Wurtz G A, Zayats A V 2013 Science 340 328

    [29]

    Yin X, Ye Z, Rho J, Wang Y, Zhang X 2013 Science 339 1405

    [30]

    Shitrit N, Yulevich I, Maguid E, Ozeri D, Veksler D, Kleiner V, Hasman E 2013 Science 340 724

    [31]

    Lin J, Mueller J P B, Wang Q, Yuan G, Antoniou N, Yuan X C, Capasso F 2013 Science 340 331

    [32]

    Kapitanova P V, Ginzburg P, Rodríguez-Fortuño F J,Filonov D S, Voroshilov P M, Belov P A, Zayats A V 2014 Nature Commun. 5 3226

    [33]

    Guo Z, Jiang H, Long Y, Yu K, Ren J, Xue C, Chen H 2017 Sci. Reports 7 7742

    [34]

    Tan W, Sun Y, Chen H, Shen S Q 2014 Sci. Reports 4 3842

    [35]

    Shi X, Xue C, Jiang H, Chen H 2016 Opt. Express 24 18580

    [36]

    Silveirinha M G 2015 Phys. Rev. B 92 125153

    [37]

    Silveirinha M G 2016 Phys. Rev. B 93 075110

    [38]

    Caloz C, Itoh T 2005 Electromagnetic Metamaterials: Transmission line Theory and Microwave Applications (New York: John Wiley & Sons)

    [39]

    Weeks C, Franz M 2010 Phys. Rev. B 82 085310

    [40]

    Goldman N, Urban D F, Bercioux D 2011 Phys. Rev. A 83 063601

    [41]

    Zhu W W, Hou S S, Long Y, Chen H, Ren J 2017 arXiv:1710.07268 [cond mat.mes hall]

    [42]

    Mecklenburg M, Regan B C 2011 Phys. Rev. Lett. 106 116803

    [43]

    Song D, Paltoglou V, Liu S, Zhu Y, Gallardo D, Tang L, Chen Z 2015 Nature Commun. 6 6272

    [44]

    Ningyuan J, Owens C, Sommer A, Schuster D, Simon J

  • [1] Algethami ObaidallahA(伊比), 李歌天, 柳祝红, 马星桥. Heusler合金Mn50–xCrxNi42Sn8的相变、磁性与交换偏置效应. 物理学报, 2020, 69(5): 058102. doi: 10.7498/aps.69.20191551
    [2] 吴雨明, 丁霄, 王任, 王秉中. 基于等效介质原理的宽角超材料吸波体的理论分析. 物理学报, 2020, 69(5): 054202. doi: 10.7498/aps.69.20191732
    [3] 刘祥, 米文博. Verwey相变处Fe3O4的结构、磁性和电输运特性. 物理学报, 2020, 69(4): 040505. doi: 10.7498/aps.69.20191763
    [4] 刘彪, 周晓凡, 陈刚, 贾锁堂. 交错跃迁Hofstadter梯子的量子流相. 物理学报, 2020, (): . doi: 10.7498/aps.69.20191964
    [5] 陈亚博, 杨晓阔, 危波, 吴瞳, 刘嘉豪, 张明亮, 崔焕卿, 董丹娜, 蔡理. 非对称条形纳磁体的铁磁共振频率和自旋波模式. 物理学报, 2020, 69(5): 057501. doi: 10.7498/aps.69.20191622
    [6] 翁明, 谢少毅, 殷明, 曹猛. 介质材料二次电子发射特性对微波击穿的影响. 物理学报, 2020, (): . doi: 10.7498/aps.69.20200026
    [7] 罗端, 惠丹丹, 温文龙, 李立立, 辛丽伟, 钟梓源, 吉超, 陈萍, 何凯, 王兴, 田进寿. 超紧凑型飞秒电子衍射仪的设计. 物理学报, 2020, 69(5): 052901. doi: 10.7498/aps.69.20191157
    [8] 庄志本, 李军, 刘静漪, 陈世强. 基于新的五维多环多翼超混沌系统的图像加密算法. 物理学报, 2020, 69(4): 040502. doi: 10.7498/aps.69.20191342
    [9] 李闯, 李伟伟, 蔡理, 谢丹, 刘保军, 向兰, 杨晓阔, 董丹娜, 刘嘉豪, 陈亚博. 基于银纳米线电极-rGO敏感材料的柔性NO2气体传感器. 物理学报, 2020, 69(5): 058101. doi: 10.7498/aps.69.20191390
    [10] 黄永峰, 曹怀信, 王文华. 共轭线性对称性及其对\begin{document}$ {\mathcal{P}}{\mathcal{T}} $\end{document}-对称量子理论的应用. 物理学报, 2020, 69(3): 030301. doi: 10.7498/aps.69.20191173
    [11] 朱肖丽, 胡耀垓, 赵正予, 张援农. 钡和铯释放的电离层扰动效应对比. 物理学报, 2020, 69(2): 029401. doi: 10.7498/aps.69.20191266
    [12] 梁晋洁, 高宁, 李玉红. 表面效应对铁\begin{document}${\left\langle 100 \right\rangle} $\end{document}间隙型位错环的影响. 物理学报, 2020, 69(3): 036101. doi: 10.7498/aps.69.20191379
    [13] 张梦, 姚若河, 刘玉荣. 纳米尺度金属-氧化物半导体场效应晶体管沟道热噪声模型. 物理学报, 2020, 69(5): 057101. doi: 10.7498/aps.69.20191512
    [14] 卢超, 陈伟, 罗尹虹, 丁李利, 王勋, 赵雯, 郭晓强, 李赛. 纳米体硅鳍形场效应晶体管单粒子瞬态中的源漏导通现象研究. 物理学报, 2020, (): . doi: 10.7498/aps.69.20191896
  • 引用本文:
    Citation:
计量
  • 文章访问数:  559
  • PDF下载量:  618
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2017-09-20
  • 修回日期:  2017-10-27
  • 刊出日期:  2017-11-20

超构材料中的光学量子自旋霍尔效应

  • 1. 同济大学物理科学与工程学院, 声子学与热能科学中心, 先进微结构材料教育部重点实验室, 上海 200092
  • 通信作者: 任捷, xonics@tongji.edu.cn
    基金项目: 

    国家自然科学基金(批准号:11775159)和上海市自然科学基金(批准号:17ZR1443800)资助的课题.

摘要: 电子的量子自旋霍尔效应的发现推进了当今凝聚态物理学的发展,它是一种电子自旋依赖的具有量子行为的输运效应.近年来,大量的理论和实验研究表明,描述电磁波场运动规律的麦克斯韦方程组内禀了光的量子自旋霍尔效应,存在于界面的倏逝波表现出强烈的自旋与动量关联性.得益于新兴的光学材料:超构材料(metamaterials)的发展,不仅能够任意设定光学参数,同时也能引入很多复杂的自旋-轨道耦合机理,让我们能够更加清晰地了解和验证其中的物理机理.本文对超构材料中量子自旋霍尔效应做了简要的介绍,内容主要包括真空中光的量子自旋霍尔效应的物理本质、电单负和磁单负超构材料能带反转导致的不同拓扑相的界面态、拓扑电路系统中光量子自旋霍尔效应等.

English Abstract

参考文献 (44)

目录

    /

    返回文章
    返回