借助拓扑量子化学的横向性约束紧束缚模型用于三维光子晶体

紧束缚模型能够精确复现晶体体系的能带结构与拓扑性质。由于其通用性与低计算成本，它们已在固态物理中被广泛使用。利用晶体的最大局域化Wannier函数作为基组，可以直截了当地构建任意晶体体系的精确紧束缚模型。遗憾的是，在三维光子晶体中，麦克斯韦方程的横向性条件排除了通过常规技术构造最大局域化Wannier函数基组的可能性。因此，迄今为止构建可靠的三维光子晶体紧束缚模型并非易事。在本工作中，我们展示了如何利用拓扑量子化学克服这一问题，从而将光子晶体的能带结构表达为能带表示之差。这可通过引入一组辅助模式来实现，正如Christensen等人最近在Phys. Rev. X 12, 021066 (2022)中所提出的，该方案正则化了由麦克斯韦方程横向性约束引起的Gamma点阻碍。分解为基本能带表示使我们能够分离出一组伪轨道，从而构建精确的横向性约束紧束缚模型，该模型与被研究三维光子晶体的色散、对称性内容与拓扑相匹配。此外，我们展示了如何在框架中引入旋磁偏置的效应，其通过与非最小耦合到静态磁场来建模。我们的工作提供了首个系统性方法，通过横向性约束紧束缚模型在整个布里渊区解析地建模最低横模的光子能带。