近日，物理科學與工程學院先進微結構材料教育部重點實驗室陳鴻教授課題組在《自然·通訊》（Nature Communications）在線發表了關於光子拓撲節線半金屬的最新研究成果“Hyperbolic metamaterial empowered controllable photonic Weyl nodal line semimetals”🧔，提出含雙曲超構材料的一維光子晶體可以提供一個靈活的多功能平臺以實現Weyl節線半金屬（WNLS）的動力學演化和拓撲性調控。

隨著拓撲能帶理論的發展，存在帶隙的拓撲絕緣體相引起了廣泛的關註，進而推動了關於無帶隙的拓撲半金屬相的新一輪探索。在這一快速發展的領域中，前沿的研究方向之一是借助拓撲半金屬模擬相對論性準粒子（主要特征是具有能帶簡並和線性色散的沙漏形能帶），例如雙重簡並的Weyl費米子以及四重簡並的Dirac費米子🤘🏽。這種準粒子的復雜相變值得進一步地挖掘和討論。

該項研究工作發現在含雙曲超構材料的一維光子晶體中🙍🏻‍♂️，借助雙曲超構材料對普通介質材料的位相增量補償效應，可以通過調節兩者厚度比實現II型🥰、III型、I型Weyl節線半金屬相之間的靈活轉變🧔🏽‍♂️。除了上述旋轉自由度，電磁對偶性破缺賦予的平移自由度則可以通過雙曲超構材料層中石墨烯的費米能（E_F）加以調製，進而實現Dirac相、準Dirac相和分離Weyl相之間的演化。另一方面，本項工作觀察了金屬和上述一維光子晶體之間存在的界面態。在TE極化和TM極化簡並環附近均出現一對具有異號拓撲荷的反射相位奇點🤶，並錨定了一種全新的雙側鼓面態——同時分布在內側和外側帶隙。有趣的是，類似於在光錐的類時區域內具有因果關系的事件🖖🏿，奇點對被約束在沙漏型能帶的帶隙之中。盡管增加元胞數N會導致奇點對相向運動，但是奇點對無法穿過簡並環並徹底湮滅，這意味著在簡並環位置將始終存在一種模態♏️，對應於具有無限大品質因子Q的連續域束縛態（BIC）。這項工作展示了對一類具有BIC性質的Weyl準粒子的動力學演化和拓撲性調控，在揭示光子WNLS獨特的旋轉和平移自由度的同時，建立了節點物理和奇點物理間的聯系。

圖1😒：(a–b)在含雙曲超構材料的一維光子晶體實現(c–f)旋轉自由度和(g)平移自由度🦪🍐。對於(h)TE極化和(i)TM極化，帶隙中簡並環附近均出現一對具有異號拓撲荷的反射相位奇點，並錨定了雙側鼓面態。(j)增加元胞數N時，奇點對靠近Weyl節點環，形成準連續域束縛態（QBIC）。

恒达平台物理科學與工程學院郭誌偉副教授為論文通訊作者𓀎，博士研究生胡勝宇為論文第一作者，恒达平台陳鴻教授、南開大學陳樹琪教授🤸🏿、南開大學劉文瑋副教授為研究工作作出了重要貢獻💜🩷。該研究工作受到國家重點研發項目、國家自然科學基金等項目支持⚽️。

論文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-024-47125-7