＜span class=“js_title_inner“＞教授专栏196| 吴肖肖: 发现光子第二类狄拉克点在倒空间一般位置的生成方案＜/span＞

近日，香港科技大学（广州）功能枢纽先进材料学域吴肖肖助理教授课题组提出了一种在倒空间中任意位置生成第二类狄拉克点（Type-II Dirac Point）的方案，并进行了实验观测和验证。相关研究成果发表于爱思唯尔旗下的知名光学期刊《Optics and Laser Technology》（2024年影响因子 5.0，JCR Q1，中科院二区TOP期刊），香港科技大学（广州）为论文第一单位。

文章题目

Direct observation of strongly tilted Dirac points at general positions in the reciprocal space

作者信息

吴肖肖助理教授课题组博士毕业生叶养松为论文第一作者，吴肖肖助理教授和课题组博士后李海涛博士为共同论文通讯作者。其他作者包括香港科技大学（广州）侯波教授、课题组博士生康世杰、于九思等也为论文做出了重要贡献。

原文链接

https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2025.113626

资助致谢：本研究工作得到了国家自然科学基金、广东省自然科学基金、港科大—港科大（广州）跨校区协同科研计划等项目的资助。特别感谢香港科技大学（广州）现代物质实验室（Modern Matter Laboratory）为本研究工作的开展提供的重要帮助。

研究背景与内容

在二维凝聚态物理系统中，第一类狄拉克点（Type-I Dirac point）是电子或光子能带中具有线性色散关系的一种能带交点，其附近对应的能带结构称为狄拉克锥。这种狄拉克锥可以想象成于一个直立的沙漏，上下非常对称。相应地，也存在严重倾斜的狄拉克锥，也就是所谓的第二类狄拉克点（Type-II Dirac point），像一个被推倒或倾斜的沙漏，上下部分不再对称。第二类狄拉克锥与第一类的主要区别在于能带结构的倾斜程度和等能面的形状。第一类狄拉克点具有对称的锥形色散关系，等能面为封闭曲线（圆或者椭圆）。而第二类狄拉克点由于严重倾斜的能带结构，使得上下能带在某些动量方向上同时存在非零的态密度，从而在局部形成了开放的 “X”形等能面曲线。这种开放的等能面曲线可诱导电子/光子体系产生强各向异性输运特性和非对称光学响应，对于开发新一代光电器件例如高灵敏偏振探测器、高性能光学隔离器以及极化方向敏感的光开关等具有重要意义。

目前，大量研究表明，这种极度倾斜的第二类狄拉克点在石墨烯及类似的电子系统里难以存在，而在光子系统中虽然能实现，却由于镜面对称性的要求仍局限在特定的高对称方向上。为此，我们提出了一种无需依赖镜面对称性的新方法，通过周期排列可旋转H型金属图案构成的超表面，结合时间反演对称性和空间反演对称性，打破了镜面对称性对狄拉克点位置的限制，实现了在倒空间任意位置生成强倾斜狄拉克点的调控。该方法利用金属图案旋转引导能带交点在第一布里渊区内沿对应转动轨迹移动。结合全波模拟与近场傅里叶能谱的实验，我们验证了第二类狄拉克点与强倾斜第一类狄拉克点的可控生成，并观察到由此引发的离轴锥形衍射（off-axis conical diffraction）。并且在旋转角度增大到一定程度后，锥状衍射的其中一支越出边界无法激发传播，实现了表观上的负折射现象（negative refraction）。这种基于几何调控的简洁策略为光子能带工程和未来片上光学器件的开发提供了高度灵活的调控手段。

研究成果简介

图1.离轴锥形衍射的全波仿真结果。（a）超表面与倾斜入射波导的示意图。馈源为一个面内的电偶极子与垂直面的磁偶极子共同激发的介质波导。（b）–（d）数值计算得到的旋转角 β = 0°、10° 和 20° 时的光子能带结构，倒空间坐标δkx 和 δky以第二类狄拉克点的位置为中心。蓝色（红色）曲面分别代表第一（第二）条光子能带，两者的交点即为第二类狄拉克点。图中插图显示了在狄拉克频率处的等能面的轮廓。（e）β = 0°、10° 和 20° 时模拟得到的电场分布图，展示了第二类狄拉克点附近模式的锥形衍射现象。介质波导根据β值作出相应倾斜，星号标出了波导中的激发位置。

图2. 实验观察到的离轴锥形衍射现象。（a）实验测得的电场分布，展示了在 β = 10° 时、频率为 10.5 GHz 下的电场Ex分量的实部，以及对应的102°衍射角。（b）在 β = 10° 时、频率为 10.5 GHz 下的布里渊区傅里叶谱，其中明亮的条纹表示被激发的模态，揭示出等频曲线（IFC），也即等能面曲线。绿色实线圆表示光锥（光子在自由空间的等能面），紫色实线方框标出了放大区域，Gx表示单位倒格矢。（c）图（b）中紫色实线方框区域的放大图。青色虚线表示在 δkx = δky = ±0.15 π/L 范围内数值计算得到的 IFC。（d）测得的电场分布，展示了在 β = 20° 时、频率为 10.5 GHz 下 电场Ex分量的实部，以及95°的衍射角。（e）与图（b）类似，但对应β = 20°。（f）与图（c）类似，但对应图（e）中 β = 20° 的情况。

教授专栏

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教授简介

吴肖肖教授，香港科技大学（广州）先进材料学域助理教授，研究关注太赫兹波、超构材料和拓扑物理学及其相互结合，探索利用人工微结构实现太赫兹波、微波等频段的拓扑现象和超常调控，设计相应超构材料和超构表面，进而开发相应的功能器件，推动基于先进光子学的下一代通信、检测、成像等应用的发展。

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主编 | 袁冶

责编 | 周姗

核校 | 柳松、许珺、吴倩

来源 | 转载自港科大广州|先进材料公众平台