基于拓扑单向大面积波导态的柔性电磁操纵

       自Ashkin开创性工作以来，光学操纵在原子物理、光学和生物科学等领域取得了显著进展。特别是近十年来，利用光力的光学捕获、冷却、结合、分选和传输等技术有了显著的发展，并衍生出更加精确、稳定和灵活的纳米尺度器件控制。在这些操作中，光拉力(指利用电磁波将粒子拉向源)可能是最有趣的现象之一。到目前为止，光拉力被认为是光学散射力，如结构光束、奇异介质、非均匀背景介质和导模散射方案。

       近年来，随着拓扑相位的概念扩展到光学领域，出现了许多奇异现象，如光量子霍尔效应、光量子自旋霍尔效应、光量子谷霍尔效应。伴随这些现象的是由其继承的拓扑特性所保护的拓扑边界态。由于拓扑光子晶体与电子材料相比更容易模拟和实验实现，因此在非线性系统、非厄米系统、高阶拓扑系统等各个方面都有很多研究。拓扑光子晶体和声子晶体中的拓扑手性边界态也被用来实现拉力现象。最近，研究人员提出了在光子晶体ABC异质结构体系中拓扑单向大面积波导态(TOLWSs)，该体系由一个普通的六边形光子晶体(B区)夹在两个磁方向相反的磁性光子晶体(A和C区)之间组成。有趣的是，两个TOLWSs在相同的方向上传播，并均匀地延伸到中间的B区域。由于拓扑保护的原因，在传播过程中禁止后向散射，而在这两种模式之间可以发生散射。那么几个自然的问题就出现了:在这个异质结构系统中，是否有可能通过TOLWSs的模式转换实现远距离、灵活甚至多粒子的电磁（EM）操纵?如果是这样，产生的电磁力总是在拉吗?可以通过TOLWSs操纵多粒子吗?

       近日，山西大学的陈君教授团队以肯定的方式回答这个问题，在本研究中，他们通过研究放置在B区域传输通道中的粒子在中间区域被激发作为源时所受到的电磁力，利用时间平均麦克斯韦应力张量的闭面积分，通过严格计算电磁力，他们发现粒子可以通过调整源的激励频率和模式而被拉向或推离源。由时间平均麦克斯韦应力张量计算的电磁力可以用光学力响应理论进行定量分析。相关工作发表在《 PHYSICAL REVIEW B》上。（郑江坡）

       文章链接：10.1103/PhysRevB.105.195432