1. 导读
在现代科学技术中，如何高效地操控电磁波的传播路径和特性一直是一个重要的研究课题。传统方法主要依赖于材料的自然属性，但随着技术的发展，研究人员开始通过设计超构材料的结构来实现对电磁波的精确控制。近日中国矿业大学杨玉婷副教授在Nanophotonics发表最新文章，通过在非均匀表面等离子体超表面中引入手性零阶朗道能级，实现了光子狄拉克波导。这一发现不仅为高效能量传输提供了新的途径，还为未来光子器件的设计和应用开辟了新的方向。2. 研究背景
人工合成规范场可以通过在材料结构中引入应变来实现。例如，在石墨烯中施加应变可以导致晶格的变形和狄拉克点的移动，从而产生有效的矢势规范场，并引入垂直于石墨烯的合成赝磁场。赝磁场的作用类似于真实磁场，因此导致了朗道能级的量子化和类量子霍尔效应。类似的，合成规范场也可以在声子晶体和光子晶体中通过人工变形晶格形状和结构参数生成。人工合成规范场在操控电磁波传输方面表现出色，已成为近年来的研究热点。区别于垂直赝磁场的实现，通过Dirac质量项梯度变化，研究团队提出了一种新的方法来构建面内赝磁场。这种赝磁场能够在不打破时间反演对称性的情况下，诱导出手性零阶朗道能级，从而实现高效的能量传输。3. 创新研究
研究团队设计了一种非均匀的人工表面等离子体（SSP）超表面，由沉积在介电基板上的金属雪花图案组成。通过在y方向上施加线性梯度变形，成功构建了面内赝磁场（如图1所示）。实验结果表明，这种赝磁场能够导致具有线性色散的零阶朗道能级，并实现了相关的传播特性。手性零阶朗道能级的频率与波矢成线性关系，这意味着电磁波可以在这种结构中以单一方向传播，从而实现高效的能量传输。![]()
图1 非均匀SSP超表面的结构示意图
为了验证这一理论，研究团队通过印刷电路板制备了实验样品，观察到了手性零阶朗道能级的传播。实验结果显示，手性零阶朗道能级在样品中以单一方向传播，与模拟结果吻合的很好。这一发现验证了研究团队的理论模型，并展示了这种SPP超表面在操控电磁波传播方面的巨大潜力。![]()
图2 非均匀SSP超表面实验样品示意图及其仿真和实验结果
基于手性朗道能级的体态传播性质，研究团队设计并实验实现了光子直狄拉克波导和Ω形波导。这些波导展示了高能量传输能力，且在不同形状的波导中均表现出色。![]()
图3 Ω形波导的结构示意图及其仿真和实验结果
此外，研究团队还设计了一个由狄拉克体态和拓扑边缘态波导组成的光束分离器，实现了能量的均等分配。这一发现展示了光子狄拉克波导在未来光子器件设计中的巨大潜力。![]()
图4 利用狄拉克波导和拓扑边缘态设计的分束器
4. 应用与展望
这一研究成果为生成人工面内磁场提供了新途径，并为未来应用中的光子器件设计提供了理想平台。研究团队表示，这一发现有望在高效能量传输、光子计算和通信等领域产生重要影响。例如，光子狄拉克波导可以用于开发新型光子器件，如光子晶体光纤、光子晶体激光器和光子晶体传感器等。这些新型光子器件具有高效、低损耗的特点，有望在未来的光子技术中发挥重要作用。这一发现不仅在理论上具有重要意义，而且在实际应用中也具有广泛的前景。通过进一步优化和改进这种非均匀仿表面等离子体超表面的设计和制造工艺，有望实现更高效、更稳定的光子狄拉克波导，从而推动光子技术的发展和应用。该研究成果以“Photonic Dirac
waveguide in inhomogeneous spoof surface
plasmonic metasurfaces”为题在线发表在Nanophotonics。本文作者分别是Yuting Yang, Juyi Zhang, Bin Yang, Shiyu Liu, Wenjie Zhang,
Xiaopeng Shen, Liwei Shi and Zhi Hong Hang，其中Yuting
Yang副教授为本文的通讯作者。
