摘要：本文通过调节 Si 衬底上空气孔中心到胞心的距离W，打破镜像对称以解除K(K′)谷的简并态，诱导能带反转并产生谷依赖的拓扑边缘态（谷陈数为±1/2）；利用太赫兹时域光谱（TDS） 表征样品性能，发现在0.437–0.453 THz 频率范围内，14mm 直线路

本文通过调节 Si 衬底上空气孔中心到胞心的距离W，打破镜像对称以解除K(K′)谷的简并态，诱导能带反转并产生谷依赖的拓扑边缘态（谷陈数为±1/2）；利用太赫兹时域光谱（TDS） 表征样品性能，发现在0.437–0.453 THz 频率范围内，14mm 直线路径拓扑波导与含多个尖锐转角（10mm Z 形含 6 个转角、14mm Z 形含 10 个转角）的 Z 形波导表现出近乎一致的传输特性，定量证明了拓扑边缘态的强抗背散射能力。相关研究以《Realization of Photonic Topological Insulators at Terahertz Frequencies Characterized by Time-Domain Spectroscopy》为题研究发表于《Physical Review Applied》（2022 年，18 卷 064025 期）。

图1(a)展示了设计的Kagome晶格光子晶体单元结构，由三个具有C3v点群对称性的相同空气孔嵌入Si衬底中，后续通过改变W的大小（收缩或膨胀空气孔阵列）来调控胞内与胞间耦合强度，进而触发拓扑相变。图1(b)磁场沿z轴的横磁（TM）模式下的光子能带。红色曲线对应W=a/2sqrt3的特殊情况，此时单元胞内两空气孔的距离（胞内耦合）与相邻单元胞间最近空气孔的距离（胞间耦合）相等，第一布里渊区的K(K')点处，最低的两个能带形成狄拉克类简并态；当W偏离时，胞内与胞间耦合失衡，K(K')点处的能带间会打开光子带隙（图中灰色区域标注）。图1(c)中第一、第二、第三能带的磁场振幅Hz分布。结果显示，对于第一能带和第三能带，其能流分别表现为左旋圆偏振（LCP）或右旋圆偏振（RCP）。在W=a/4与W=a/3两种状态下，这两个能带的偏振态发生互换，直观印证了图1(b)中描述的“能带反转”现象。

图2(a) 中14mm Z形芯片的归一化磁场振幅Hz分布，直观呈现太赫兹波在含多个尖锐转角的Z形域壁中传播时的能量局域情况，证明能量主要沿域壁传输，无明显泄漏或散射损耗。

图3(a)展示了Z形扭曲域壁芯片的实物显微镜图像。芯片基于高阻硅片制备（衬底含1μm厚二氧化硅层），通过光刻图案化与深反应离子刻蚀工艺加工而成。图3(b)太赫兹时域光谱（THz TDS）的测量系统结构。测量时，THz光束无需额外锥形耦合结构，直接被紧密聚焦并耦合至拓扑波导中；由于THz聚焦光斑尺寸略大于芯片厚度，光束与域壁的耦合效率相对较低。图3(d)绘制了三类实验样品的归一化传输效率曲线，包括10mm Z形域壁芯片、14mm Z形域壁芯片、14mm直线路径域壁芯片。在0.437–0.453 THz频段，三类样品的传输效率高度相似，不受路径长度、尖锐转角数量的影响；该结果与图3(b)的模拟计算结果完全吻合，从实验层面定量验证了拓扑边缘态的强抗背散射能力。

图3 实验结果。(a) 所制备的Z形扭曲磁畴壁芯片的显微镜图像。(b) 测量装置的示意图。(c) 14 mm芯片的块状和Z形磁畴壁的太赫兹强度测量结果。(d) 所制备的10mm和14mm Z形以及14mm直线形磁畴壁的归一化透射率。

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来源：凯视迈精密测量