由拓扑绝缘体构成的介质中的约束电磁波

拓扑绝缘体(TI)是一种将绝缘体的bulk特性与由时反演对称性保护的导电表面态相结合的量子材料。其独特的电磁行为源于编码在类似轴子项($\theta$项中)的拓扑磁电效应($\theta = \pi$ mod $2\pi$)。该$\theta$电动力学通过在材料界面处的边界条件修改来改变Maxwell方程，同时保持传统的bulk电磁学，从而实现表面介导的光学效应，如极化旋转和混合波模式。本文探讨了基于TI波导中的电磁波约束。关键进展包括: (1)通过极化工程在波导几何中对活性和耗散能量进行受控修改; (2)在 coaxial TI结构中实现的横向电磁(TEM)波违反Earnshaw定理，通过$\theta$断点实现独特的极化旋转机制和沿弯曲光纤的低损耗传播; (3)通过使用虚$\theta$参数实现的TEM波约束，少于两个导体，解释其通过自洽的表面电荷动力学; (4)首次发现TI slab波导中的混合TE-TM模式，与传统磁电材料响应形成鲜明对比。这些发现表明，$\theta$导致的边界条件修改如何在bulk方程不变的情况下实现新的电磁解。所示现象——包括修改的传播模式、非平凡的极化动力学和非传统的约束——表明在极化控制和光学路由方面具有光子学应用潜力。通过将拓扑电动力学与波导物理相连接，本工作为拓扑光子系统提供了基本见解和实用设计原理。