近期，我校范滇元院士團(tuán)隊(duì)與英國(guó)伯明翰大學(xué)張霜教授課題組合作，通過(guò)探索馬鞍形狀的光子晶體，在實(shí)驗(yàn)上首次觀測(cè)到了理想的外爾系統(tǒng)。相關(guān)成果以題為“Ideal Weyl points and helicoid surface states in artificial photonic crystal structures”發(fā)表在國(guó)際頂尖期刊Science上。深圳大學(xué)博士后郭清華為論文共同第一作者，項(xiàng)元江副教授為論文的合作作者，英國(guó)伯明翰大學(xué)、深圳大學(xué)、University of Exeter和中科院物理所為論文共同第一單位。
組成物質(zhì)世界的基本粒子分為玻色子和費(fèi)米子；費(fèi)米子包含三種，分別是狄拉克費(fèi)米子、外爾費(fèi)米子和馬約拉納費(fèi)米子。自然界中普遍存在的是狄拉克費(fèi)米子，外爾費(fèi)米子和馬約拉納費(fèi)米子是否存在，長(zhǎng)期以來(lái)沒(méi)有定論。
直到最近，人們才在凝聚態(tài)物質(zhì)體系中分別觀察到外爾費(fèi)米子和馬約拉納費(fèi)米子，它們都是電子在凝聚態(tài)結(jié)構(gòu)約束下表現(xiàn)出來(lái)的元激發(fā)，是“準(zhǔn)粒子”。外爾費(fèi)米子最顯著的特征是其色散關(guān)系上含外爾點(diǎn)。尋找外爾點(diǎn)一時(shí)成為多個(gè)物理分支（如光學(xué)、冷原子）的熱門(mén)。
圖1 理想外爾系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和能帶 圖2體態(tài)和螺旋表面態(tài)的實(shí)驗(yàn)觀測(cè)
理想的外爾系統(tǒng)是研究和開(kāi)發(fā)很多有趣的拓?fù)涮匦砸约皩?shí)際應(yīng)用的基礎(chǔ)。然而到目前為止，還沒(méi)有實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到理想的外爾系統(tǒng)。由于人工合成的周期性材料(如光子晶體、聲子晶體)可具有類(lèi)似于電子的能帶結(jié)構(gòu)，近年來(lái)研究者開(kāi)始在經(jīng)典波(如電磁波、聲波)體系中探索拓?fù)鋺B(tài)及其相關(guān)現(xiàn)象。這些自然界中不存在的人工材料具有更多的設(shè)計(jì)自由度，不僅為科學(xué)家提供了另一個(gè)更方便研究拓?fù)湎嗟钠脚_(tái)，也有助于拓?fù)鋺B(tài)的概念應(yīng)用到新型的光學(xué)器件中。
最近，英國(guó)伯明翰大學(xué)張霜教授課題組與深圳大學(xué)范滇元院士團(tuán)隊(duì)先進(jìn)材料光子學(xué)課題組、University of Exeter和中科院物理合作，設(shè)計(jì)并制備了馬鞍形狀的光子晶體（圖1A，B），觀測(cè)到了理想的外爾系統(tǒng)，其中四個(gè)對(duì)稱(chēng)性保護(hù)的外爾點(diǎn)坐落在同一個(gè)頻率，并且在這個(gè)頻率周?chē)鷽](méi)有其他能帶干擾（圖1C）。他們采用近場(chǎng)掃描的方法測(cè)量了該光子晶體的體態(tài)和表面態(tài)的分布情況（圖2）。作為源的探針?lè)旁跇悠返牡撞浚@樣可以同時(shí)激發(fā)體態(tài)和表面態(tài)。測(cè)量的探針在樣品的上表面掃描，可以得到近場(chǎng)的振幅和相位分布，然后通過(guò)傅里葉變換得到其動(dòng)量空間的等頻面分布情況。從圖中的實(shí)驗(yàn)和仿真的對(duì)比中可以看到螺旋表面態(tài)的旋轉(zhuǎn)情況。他們的發(fā)現(xiàn)對(duì)外爾拓?fù)鋺B(tài)的研究提供了一個(gè)理想的平臺(tái)。
這是范滇元院士團(tuán)隊(duì)繼2017年在《物理評(píng)論快報(bào)》（Physical Review Letters）發(fā)表關(guān)于超材料三維光子狄拉克點(diǎn)和《自然·通訊》（Nature Communications）上發(fā)表關(guān)于拓?fù)涑牧现泄庾淤M(fèi)米弧的直接觀測(cè)的相關(guān)研究后，又一篇關(guān)于拓?fù)湮锢矸矫娴闹匾晒?。由于光子晶體可具有宏觀尺度，外爾光子晶體的實(shí)現(xiàn)把外爾物理從微觀拓展到宏觀，帶來(lái)了實(shí)驗(yàn)制備與測(cè)量的方便性，既有利于拓?fù)湮锢淼倪M(jìn)一步發(fā)展，亦有利于拓?fù)湮锢碓缛兆呦驊?yīng)用。
該工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金基金的資助。原文鏈接：http://science.sciencemag.org/content/359/6379/1013
