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《自然通讯》——关于电磁表面波的拓扑性质的研究

2021-04-28 09:33
射频学堂
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大家好,我是RF小木匠今天分享一篇来自physicsworld的关于表面电磁波的研究文章。文章原文为英文,射频学堂编译整理。

原文作者为

正文如下:

麦克斯韦的电磁理论是150年前提出的,是物理学史上最大的突破之一,并在今天继续产生新的结果。在最近发表于《自然通讯》上的一篇论文中,科学家表明,某些界面处的表面电磁波(作为经典麦克斯韦方程的解而产生)也纯粹是拓扑起源。麦克斯韦的电磁理论统一了电和磁,对电磁波(包括光)进行了最终描述,并预测了相对论和20世纪发展起来的场论。大约60年前,科学家发现电磁辐射不仅可以在自由空间中传播,还可以在不同介质之间(例如金属与空气或玻璃之间)的界面处以表面波的形式传播。这导致了等离激元和超材料的发展,其中表面电磁波是众多现象和有用应用的基础。

拓扑量子系统是现代物理学的另一个领域,其中表面波起着至关重要的作用。在这些系统中,表面模式对于小扰动和连续变形非常鲁棒,这就是为什么它们通常被称为拓扑保护状态的原因。在这项最新工作中,研究人员(日本,韩国,澳大利亚和美国的合作伙伴)表明,在不同的均质各向同性介质之间的界面处熟悉的表面电磁波的起源与这些量子拓扑状态相似。在他们的描述中,康斯坦丁·布里奥赫(Konstantin Bliokh)RIKEN和澳大利亚国立大学的研究人员及其同事表明,自由空间(或整体)光子的“螺旋性”起着关键作用。电磁螺旋度是与光子自旋沿动量方向的投影相对应的标量属性。在自由空间或大容量介质中,它可以具有两个特征值+1或-1,分别对应左右两个圆极化。当介质参数之一(介电常数或磁导率)改变其符号时,例如在金属-空气界面处,两种介质中的螺旋光谱在复螺旋平面中相互扭曲。

Bliokh及其合作者表明,这种扭曲导致界面处出现具有零螺旋度的表面电磁波,例如表面等离振子-极化子。此外,他们证明了表面模式的数量是由改变界面上其符号的块介质参数的数量决定的,在拓扑形式主义中这被称为“体边界对应”。这意味着,在仅介电常数(或磁导率)改变其符号的界面上,将存在一种表面模式。但是,在介电常数和磁导率符号不同的两种材料之间的界面处,将存在两种表面模式。这如何改变我们对麦克斯韦波的了解?第一作者Bliokh说:“表面麦克斯韦波的拓扑描述与先前已知的拓扑表面模式的拓扑描述之间存在重大差异。

到目前为止,各种波动系统的拓扑特性和分类都依赖于表征该系统的哈密顿算子(即能量)算符的数学特性。相反,麦克斯韦波的拓扑特性由所谓的螺旋度算子描述,该算子表征了圆极化电磁波的手性。因此,我们的理论也将拓扑方法的适用范围扩展到其他波动系统:它表明拓扑分类不仅可以与哈密顿量相关,而且可以与对应于守恒物理量的其他算子相关联。”佛朗哥·诺里(Franco Nori)继续说道:“我们的工作为波物理学的几个领域提供了新的转折和见解:麦克斯韦电磁学,拓扑量子态和等离激元/超材料。”在凝聚态量子系统中发现非平凡的拓扑相,以及在拓扑不同的材料之间的界面处存在拓扑表面模式,因此获得了2016年诺贝尔物理学奖。最初,人们认为拓扑特性是模仿复杂工程结构所独有的量子凝聚态系统,例如光子晶体,这项工作表明,由麦克斯韦方程组的最基本形式描述的最简单的连续各向同性光学介质中也存在精美的拓扑特征。


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