1929年,，數(shù)學(xué)家赫爾曼.外爾提出了一種簡(jiǎn)約的狄拉克方程的解，預(yù)言了一類有手性的無質(zhì)量的基本粒子,，稱為外爾費(fèi)米子,。外爾費(fèi)米子被認(rèn)為是二維石墨烯的三維類比。其特征指標(biāo)是外爾費(fèi)米點(diǎn),，是一種存在于兩個(gè)線性色散能帶交匯處,，被拓?fù)浔Ｗo(hù)的三維空間點(diǎn)的簡(jiǎn)并態(tài)。外爾費(fèi)米點(diǎn)的一個(gè)重要特性是它具有很強(qiáng)的穩(wěn)定性,。外爾費(fèi)米點(diǎn)對(duì)外界擾動(dòng)的穩(wěn)定性起源于它的拓?fù)鋯螛O子屬性,，也就是它僅具有正、負(fù)兩種拓?fù)浜?，而且兩種拓?fù)浜芍荒艹蓪?duì)產(chǎn)生或者湮滅,。由于外爾費(fèi)米點(diǎn)的這種拓?fù)涮匦?，外爾系統(tǒng)不會(huì)受到擾動(dòng)比如,，加工缺陷的影響。因此,，外爾費(fèi)米點(diǎn)為發(fā)展下一代穩(wěn)定,、高效的光電器件提供了全新的物理特性。

從1929年至今的將近86年時(shí)間里,，物理學(xué)家長(zhǎng)期致力于尋求無質(zhì)量的外爾費(fèi)米子存在的實(shí)驗(yàn)證據(jù),。最初，中微子被認(rèn)為是一種無質(zhì)量的外爾費(fèi)米子,，但直至它被發(fā)現(xiàn),，中微子才被證明是一種具有質(zhì)量的粒子，并非外爾費(fèi)米子,。一直到2015年,，外爾費(fèi)米子的謎團(tuán)才首次被解開,。不同于中微子可以在宇宙中自由的穿梭的特性,，外爾費(fèi)米子被證明是存在于晶體中的準(zhǔn)粒子,。準(zhǔn)粒子并非傳統(tǒng)意義上的粒子,，他們具有波動(dòng)性。這種波動(dòng)又不是物理的機(jī)械波（比如,，水波）,，而是基于大量分子集體運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的激發(fā)波。

光子晶體中也存在著外爾費(fèi)米子,。確切的說,，在具有雙螺旋形結(jié)構(gòu)和宇稱破缺的光子晶體中，穿過光子晶體的光子有外爾費(fèi)米子的屬性,。在光子晶體能帶中,，存在兩個(gè)線性色散能帶的交匯的奇點(diǎn)---外爾費(fèi)米點(diǎn)。早期對(duì)外爾費(fèi)米點(diǎn)能帶結(jié)構(gòu)的研究,，只停留在微波波段,。因?yàn)榧晒庾泳w器件的工作波段通常在近紅外波段，微波波段的外爾費(fèi)米點(diǎn)的研究,，對(duì)于拓?fù)洳牧显诩晒庾泳w器件的應(yīng)用,，不能提供有力的支撐。更重要的是,，外爾費(fèi)米子的重要特征之一的外爾費(fèi)米點(diǎn)的手性特征,，在之前的研究中都被完全忽略。事實(shí)上,，拓?fù)涔庾泳w的外爾費(fèi)米點(diǎn)能夠?yàn)槲覀兲峁┝艘粋€(gè)操控自旋角動(dòng)量和圓二色性反轉(zhuǎn)的平臺(tái),。然而，實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)外爾費(fèi)米點(diǎn)與自旋角動(dòng)量在近紅外波段的相互作用的挑戰(zhàn),，是傳統(tǒng)的加工方法無法直接獲得具有超高折射率和復(fù)雜結(jié)構(gòu)的亞微米尺寸的三維拓?fù)涔庾泳w,。

該圖展示了一個(gè)具有宇稱破缺的雙螺旋結(jié)構(gòu)的光子晶體。外爾費(fèi)米點(diǎn)是動(dòng)量空間中貝利通量的正或者負(fù)得單極子,，他們攜帶的手性特征用紅色（正）和藍(lán)色（負(fù)）來代替,。左右兩側(cè)的圖分別顯示能帶結(jié)構(gòu)和實(shí)驗(yàn)測(cè)量的在不同交匯方向上外爾費(fèi)米點(diǎn)的圓二色性。能帶結(jié)構(gòu)中,，不同的顏色代表了圓二色性的模式的手性,，而點(diǎn)的大小代表不同耦合模式的階數(shù)。中間的示意圖,，顯示了圓二色性探針的工作原理：具有相反拓?fù)浜桑ㄊ中裕┑耐鉅栙M(fèi)米點(diǎn)的對(duì)于沿兩種不同晶向上傳播的左手圓偏光和右手圓偏光的響應(yīng),。

最近，澳大利亞皇家墨爾本理工大學(xué)的顧敏院士課題組提出了一種新型方法,，獲得了亞微米尺寸的能夠?qū)t外波段具有響應(yīng)的高折射率的三維雙螺旋形拓?fù)涔庾泳w,，并首次從實(shí)驗(yàn)上研究了I-型外爾費(fèi)米點(diǎn)的在近紅外波段的性質(zhì)。研究者首先用3D激光納米打印技術(shù),，加工出了雙螺旋形的光子晶體聚合物模板,，再利用原子層沉積技術(shù),，將一種新型的高折射率納米材料均勻的鍍?cè)诰酆衔锬０迳希@種具有‘芯-殼’ 結(jié)構(gòu)的三維光子晶體具有傳統(tǒng)加工方法不能實(shí)現(xiàn)的高折射率的特征和尺寸（尺寸：50 x 50 x 20 μm3）,。研究者又通過在三維光子晶體中引入周期性的結(jié)構(gòu)缺陷,，獲得了具有宇稱破缺的雙螺旋形拓?fù)涔庾泳w。

該團(tuán)隊(duì)獲得的拓?fù)涔庾泳w擁有兩對(duì)具有相反拓?fù)浜桑ㄊ中裕┑耐鉅栙M(fèi)米點(diǎn),，具有一種叫做“可逆的圓二色性”的效應(yīng),。利用傅里葉變換近紅外光譜儀，研究者測(cè)量了不同晶向傳播的圓偏光的透射譜,，從實(shí)驗(yàn)上證明了具有相反拓?fù)浜桑ㄊ中裕┑耐鉅栙M(fèi)米點(diǎn)的存在,，并且研究了它對(duì)于圓偏振光的自旋角動(dòng)量的影響。該工作中發(fā)現(xiàn)的圓二色性的機(jī)制,，不僅展示了外爾費(fèi)米點(diǎn)的拓?fù)鋵傩跃哂锌刂谱孕莿?dòng)量的能力,，而且為拓?fù)涔庾泳w在高靈敏度傳感器，自旋電子學(xué)以及量子光電子學(xué)的應(yīng)用提供了新的方向,。更重要的是,，由于外爾費(fèi)米點(diǎn)的拓?fù)浔Ｗo(hù)性質(zhì)，也使得科學(xué)家在未來設(shè)計(jì)具有抗干擾,、抗缺陷能力的功能性光子晶體器件成為可能,。

正如二維石墨烯的出色屬性來源于石墨烯能帶中的狄拉克點(diǎn)，外爾費(fèi)米點(diǎn)作為它的三維類比,，以及該課題組從實(shí)驗(yàn)上獲得的擁有外爾費(fèi)米點(diǎn)的三維拓?fù)涔庾泳w系統(tǒng)將具有無可限量的應(yīng)用前景,。

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