深圳大學(xué)實驗室項元江課題組、英國伯明翰大學(xué)張霜教授課題組和賓夕法尼亞州立大學(xué)劉超星教授課題組合作，通過非均勻的調(diào)制理想外爾超材料中元胞內(nèi)部結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)，首次在光學(xué)系統(tǒng)中觀測到手性零級朗道能級。相關(guān)成果以題為“Observation of chiral zero mode in inhomogeneous three-dimensional Weyl metamaterials”發(fā)表在國際頂尖期刊Science上。深圳大學(xué)博士后賈宏偉為論文第一作者，項元江副教授為論文的共同通訊作者，英國伯明翰大學(xué)、深圳大學(xué)為論文第一作者單位。 o"p^/'ri  
:n'yQ#[rn  
在量子系統(tǒng)中, 一個帶電荷的粒子在外磁場的作用下在垂直于磁場的方向的運動會被束縛，從而產(chǎn)生了分立的量子能級，即朗道能級 (Landau Level)。對于無質(zhì)量的相對論粒子，比如二維石墨烯中的狄拉克點 (Dirac point)，朗道能級會存在一個零能態(tài)， 其波函數(shù)同時繼承了導(dǎo)帶（電子）和價帶（空穴）的量子態(tài)。二維系統(tǒng)的狄拉克粒子對應(yīng)到三維系統(tǒng)便是外爾點 (Weyl point)，相當(dāng)于三維動量空間中的磁單極。在外磁場下，根據(jù)其攜帶的拓?fù)浜?(topological charge) 的正負(fù)號，外爾點的零級朗道模式會沿著或逆著外磁場的方向單向傳播。與拓?fù)浣^緣體不同的是，這個單向傳播的模式是一種體態(tài) (bulk state)，而不是在界面?zhèn)鞑サ谋砻鎽B(tài)或邊緣態(tài)。 w66v\x~  
S&4+ e:K  
在高能物理中，狄拉克或外爾無質(zhì)量相對論粒子具有手性對稱性，也就保證了其手性電流為守恒量。但是外界微擾的引入會破壞其手性對稱性并導(dǎo)致手性電流不守恒，也就是手性異常。其中，外加磁場產(chǎn)生的零級手性朗道能級便是導(dǎo)致手性異常的最重要的方法。狄拉克和外爾準(zhǔn)粒子在電子和光學(xué)系統(tǒng)中的發(fā)現(xiàn)為在這些系統(tǒng)中觀測手性朗道能級提供了條件。然而，目前為止三維光學(xué)系統(tǒng)中手性朗道能級還沒有得到觀測。 *@_u4T7|{  
)Hbb&F  
在周期結(jié)構(gòu)材料中，外爾簡并點是三維系統(tǒng)中的兩個能帶之間的二重的線性簡并。由于空間維度與泡利矩陣維度相同，該簡并點非常穩(wěn)定，只能在動量空間中當(dāng)正負(fù)拓?fù)鋽?shù)相反的兩個簡并點相遇并湮滅才能使其消失。同時，由于目前發(fā)現(xiàn)的外爾簡并均為偶然簡并，原則上可以在動量空間中隨意調(diào)節(jié)其位置，這也就為制作人工的規(guī)范場提供了很好的機(jī)會。 mC i[Ps  
i:o}!RZ>  
以往的設(shè)計人工磁場的方法都是通過外加應(yīng)力實現(xiàn)體系內(nèi)部發(fā)生非周期改變，根據(jù)緊束縛近似理論，這種應(yīng)力張量可以表示為矢量勢，也就產(chǎn)生了人工磁場。這種方法廣泛的應(yīng)用于二維體系。但是在三維體系中，由于體系的伸縮性不明顯，所以科學(xué)家只能理論上研究薄膜或者細(xì)線的幾何體中的人工磁場。因此，目前為止，人工磁場只在二維體系中實驗上實現(xiàn)。而三維外爾體系中的人工磁場會產(chǎn)生更加有趣的物理現(xiàn)象，比如外爾準(zhǔn)粒子的手性傳輸。 8Q2]*%