本文要点
通过将两个具有不同拓扑不变量的多层光子晶体（PCs）接触，实现了拓扑边缘态，导致界面处出现明显的电磁场集中。
在界面处嵌入L形手性超材料，观察到CD响应显著增强。
研究背景
手性结构与光的相互作用表现出圆二色性（Circular Dichroism, CD），这是光学领域的一个重要属性。传统的手性材料难以实现理想的光学响应，因此研究者转向手性超表面（chiral metasurfaces），即人工制造的具有特定属性的表面
研究内容
多层薄膜中的拓扑边缘状态。（a） 由两个 PC （标记为 PC1 和 PC2）连接形成的拓扑异质结构示意图。层的厚度为 60 nm， 厚度为 170 nm。两个 PC 都显示出反演对称性，两个反演中心对应于层的中心 和 。这两个 PC 本质上是相同的，只是它们的晶胞以不同的方式定义：PC1 的晶胞将层排列在中心，而 PC2 的晶胞以层为中心 。两台 PC 的晶胞用橙色和红色虚线表示，界面用虚线表示。（b） 多层膜横截面的 SEM 图像。比例尺为 500 nm。（c） PC1 （左图） 和 PC2 （右图） 的能带结构。每个波段的 Zak 相位用数字 （0 或 ） 表示。洋红色和灰色矩形分别表示带有拓扑不变量的正号和负号的带隙。边缘模式将存在于最低间隙（频率约为 0.2875）中，其中拓扑不变量在两个 PC 中具有相反的符号。（d） 拓扑光子晶体的传输。红线和黑线给出模拟和实验结果。黄色三角形表示拓扑传播峰，绿色圆圈表示非拓扑传播峰。（e） 计算出对应于 575 nm 处的非拓扑峰和 800 nm 处的拓扑峰的电场分布。（f） PC 界面层一个的场增强因子 （ |𝐸/𝐸0|） 与波长的函数关系，其中 𝐸 是本场，𝐸0是入射场。在 800 nm 左右出现一个明显的场增强峰，与拓扑状态光谱位置重叠。
L 形超表面及其手性光学响应。（a） 衬底上
拓扑增强的超表面及其手性光学响应。（a） 拓扑增强超表面示意图。L 形纳米结构嵌入在拓扑边缘状态的位置。（b） 150 nm 和 𝐿𝑥 100 nm 超表面𝐿𝑦的数值模拟光谱。蓝色和红色曲线分别表示 LCP 和 RCP 入射的透射光谱。CD 光谱由黑色曲线给出，该曲线显示 800 nm 附近有一个明显的共振峰，与图 1 中的拓扑共振峰一致。1（d） 的。（c） 实验测量的制造样品的透射率和 CD 光谱。SEM 图像中的比例尺为 100 nm。
手性光学响应的演变作为超构表面几何变化的函数。（a） 制造的超表面的俯视图 SEM 图像。𝐿𝑥固定为 100 nm，而𝐿𝑦在不同的超表面阵列中以 50 nm 的步长从 100 nm 变为 350 nm。比例尺为 100 nm。（b） 拓扑增强之前（红色曲线）和之后（蓝色曲线）超构表面 CD 幅度的模拟比较。垂直刻度显示在左上角。（c） 拓扑增强前后超表面的实验测量 CD 光谱。
总结与展望
总之，研究者展示了一种利用拓扑概念增强超表面手性特性的方法。在具有不同拓扑不变量的两个多层 PC 之间的边界处实现了拓扑边缘状态，从而在界面处产生了很强的电场局域化。通过将 L 形手性超构表面嵌入界面中，观察到它们的 CD 响应明显增强。他们指出，场定位也会发生在常规和非拓扑缺陷中;然而，这种模式不受拓扑保护，并且在将超表面插入其中时很容易被破坏。另一方面，受益于拓扑状态的稳健特性，观察到的 CD 峰值光谱位置固定在边缘态波长上，并且不受超表面阵列结构变化的影响。考虑到多层薄膜易于制造，他们的拓扑方法可以灵活地应用于提高具有不同结构设计的手性超表面的光学响应，并可应用于设计用于偏振操纵的微型光学元件。
文献详情
https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.16.L031001
