利用伪磁场在光子晶体中操纵朗道能级和手性边缘态

在纳米尺度上操纵光的追求导致了对电子系统中观察到的各种现象的探索。其中一个现象是朗道能级和手性边缘态的形成，通常由电子系统中的磁场引起。最近，研究人员通过巧妙的方法 ，使用合成应变诱导伪磁场 ， 在光子晶体中观察到朗道能级和手性边缘态。

在电子系统中，磁场已知可以控制电子的行为，对电子气施加磁场会极大地改变它们的能量景观。电子被组织成离散的能级，称为朗道能级。这种现象源于电子磁矩与磁场之间的相互作用。

这些离散的能态在凝聚态物理学中具有深远的影响，导致了量子霍尔效应等现象，并有可能应用于超精确的电气测量。此外，在这些系统的边界，会出现与量子霍尔效应相关的手性边缘态。

将这些概念转换到光子学一直是一个诱人的前景，特别是对于芯片级纳米光子系统，控制光的传播和局域化对于从传感到量子光-物质接口的应用至关重要。不幸的是，光子是无电荷的，不会直接与磁场相互作用，这带来了一个挑战。

在这项工作中，研究人员巧妙地绕过了这一限制，引入了伪磁场的概念。在这里，在这里，一个精心设计的应变模式被应用于光子晶格，而不是一个真正的磁场。这种工程应变模仿了磁场对光传播的影响，有效地在光子晶体内部创建了“伪磁场”。这种方法类似于在石墨烯中观察到的应变诱导效应，其中晶格的机械变形模仿了磁规范势的作用。

通过应变操纵来应用伪磁场会产生令人着迷的结果。一个关键的观察结果是在光子晶体的能带结构中出现朗道能级。这些离散能级类似于在真实磁场下的电子系统中观察到的能级，突出了伪磁场方法的有效性。

此外，研究人员还探索了在具有相反伪磁场的区域之间的界面诱导“手性边缘态”的可能性。手性边缘态是存在于某些拓扑材料边界上的一维导电通道。这些边缘态表现出独特的特性，如单向传播和对缺陷的免疫，使它们在各种光子应用中非常理想。

在光子晶体中观察到的朗道能级和手性边缘状态为光控的新时代铺平了道路。这打开了几个令人兴奋的可能性：

• 增强光-物质相互作用：朗道能级内的态密度可以促进光与物质之间的强相互作用，导致非线性光学和量子光-物质界面等领域的发展。
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• 拓扑光子学：手性边缘态为探索拓扑光子学提供了一个平台，这是一个利用材料结构的固有特性以非常规方式操纵光的领域。这可能会导致新型光子器件的发展，以实现高效的光路由和操作。

• 芯片级光控：利用像光子晶体这样的工程材料在芯片尺度上操纵光的能力，为具有前所未有功能的小型化和集成光子电路打开了大门。

尽管最初的观察结果很有希望，但仍有一些挑战。设计稳健且定义良好的伪磁场，同时尽量减少损耗至关重要。此外，实现可扩展性和与现有光子技术的集成对于实际应用是必要的。