调控由三角棒构成六方光子晶格中的拓扑相变

在本文中，我们通过计算能带结构、Berry 曲率、Chern 数、边缘态以及对边缘模式中光传播的数值模拟，研究了具有破缺时间（$\mathcal{T}$）和宇称（$\mathcal{P}$）对称性的二维光子晶体中的拓扑相。具体地，我们考虑由三角形旋磁棒构成的六方晶格。此处旋磁材料破缺 $\mathcal{T}$ 对称性，而三角形棒破缺 $\mathcal{P}$ 对称性。有趣的是，我们发现该晶体可承载具有不同带隙 Chern 数（$C_g$）（包括 $|C_g| > 1$）的量子反常 Hall（QAH）相，以及具有相反谷 Chern 数（$C_v$）的量子谷 Hall（QVH）相，这取决于三角形棒的取向。此外，这些拓扑相之间的相变，例如从 QAH 到 QVH 及反之，可通过简单地旋转棒来调控。我们的能带理论分析揭示，动量空间中 $K$ 和 $K'$ 谷处的 Dirac 节点由镜面对称性（$m_y$）而非 $\mathcal{P}$ 对称性产生并受到其保护，并且当 $\mathcal{T}$ 或 $m_y$ 对称性之一被破缺时它们打开能隙，分别导致 QAH 或 QVH 相。而且，通过破缺 $\mathcal{T}$ 对称性使三重简并节点而非成对 Dirac 点打开能隙，产生了高 Chern 数（$C_g = -2$）的 QAH 相。我们所提出的光子晶体因此提供了一个研究有趣拓扑现象的平台，这些现象在电子系统中可能难以实现，并且在光子学器件应用（如无反射单向波导和拓扑光子电路）方面具有广阔前景。