“魔角”扭轉(zhuǎn)雙層石墨烯（Twisted Bilayer Graphene, TBG）的實(shí)驗(yàn)研究，展示了借助周邊環(huán)境調(diào)控電子相互作用強(qiáng)度的方法，以及諸如超導(dǎo)、平帶、莫特絕緣態(tài)等特殊性質(zhì)。這些新現(xiàn)象也激發(fā)了人們對(duì)于莫爾超晶格（Moiré superlattice）的廣泛興趣。然而，以往對(duì)于“魔角”的研究主要局限在基于范德華二維材料中的電子體系，而對(duì)光子體系中存在“魔角”現(xiàn)象的可能性還缺乏認(rèn)識(shí)。

在此背景下，美國(guó)伯克利加州大學(xué)的Jie Yao（姚杰）課題組另辟蹊徑，構(gòu)建扭轉(zhuǎn)雙層光子晶體（Twisted Bilayer Photonic Crystals, TBPC），并為小角度扭轉(zhuǎn)的TBPC建立了耦合模理論，進(jìn)而發(fā)現(xiàn)了光子學(xué)體系中的“魔角”現(xiàn)象：在特定扭轉(zhuǎn)角度下該TBPC體系具有非安德森局域的光子平帶。這項(xiàng)研究結(jié)果揭示了費(fèi)米子和玻色子的莫爾系統(tǒng)之間顯著的對(duì)應(yīng)關(guān)系，并對(duì)光子莫爾體系的研究有著重要的意義。該工作以“Flat bands in magic-angle bilayer photonic crystals at small twists”為題于近日發(fā)表在國(guó)際著名物理學(xué)期刊Physics Review Letters并被該雜志選為Editors’ Suggestion。 光子晶體是一種人工構(gòu)建的光學(xué)結(jié)構(gòu)，其周期長(zhǎng)度與光的波長(zhǎng)接近。光子在這種結(jié)構(gòu)中傳播時(shí)，具有類似于電子能帶的光子能帶，因而被廣泛用于對(duì)光子的操控與應(yīng)用。在此項(xiàng)工作中，研究人員用介電材料（比如硅）構(gòu)筑了類似石墨烯的晶體結(jié)構(gòu)。

圖1. （a）TBPC體系的示意圖（左）和代表性的具有平帶特征的三維光子莫爾能帶圖（右）；（b）TBG和TBPC的結(jié)構(gòu)與理論體系的對(duì)比圖。 如圖1（a）所示，TBPC由兩層相同的二維光子晶體疊放組成，每層光子晶體由六方晶格排布的硅圓盤構(gòu)成，且雙層光子晶體之間有亞波長(zhǎng)尺度的層間距。當(dāng)TBPC的扭轉(zhuǎn)角取特定值（“魔角”）時(shí)，光場(chǎng)聚集在AA區(qū)域中，且三維光子莫爾能帶結(jié)構(gòu)中會(huì)出現(xiàn)明顯的平帶。這種光子平帶具有廣泛的應(yīng)用前景：比如，它預(yù)示著極大的光子態(tài)密度和極小的群速度，可以顯著地增強(qiáng)光子與物質(zhì)的相互作用，對(duì)信息處理、激光器件、單分子檢測(cè)等領(lǐng)域都有潛在的推動(dòng)作用。 圖1（b）將TBG和TBPC體系進(jìn)行了對(duì)比，可以看出TBPC系統(tǒng)與得到廣泛研究的TBG系統(tǒng)具有相似的結(jié)構(gòu)與對(duì)稱性。這里需要特別指出：與TBG不同的是，TBPC的光子莫爾能帶計(jì)算是基于耦合模理論完成的。通過(guò)實(shí)空間與倒數(shù)空間的轉(zhuǎn)化與連續(xù)模型近似，該項(xiàng)研究基于耦合模理論計(jì)算了小扭轉(zhuǎn)角與亞波長(zhǎng)層間距條件下的光子莫爾能帶結(jié)構(gòu)。

圖2. 當(dāng)層間距固定時(shí)，TBPC在不同扭轉(zhuǎn)角度下的光子莫爾能帶結(jié)構(gòu)和光子態(tài)密度（a-d），以及中間兩個(gè)帶的局域帶寬與扭轉(zhuǎn)角的關(guān)系（e）。 通過(guò)改變扭轉(zhuǎn)角和層間距的組合，研究人員發(fā)現(xiàn)在特定條件下TBPC的光子莫爾能帶結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)了和“魔角”石墨烯相類似的平帶現(xiàn)象。該平帶現(xiàn)象同時(shí)具備高光子態(tài)密度、對(duì)扭轉(zhuǎn)角高度敏感等一系列特性，這亦與“魔角”石墨烯系統(tǒng)的特征極為相似（圖2）。

圖3.（a）光子“魔角”的相圖；（b）理論計(jì)算與仿真結(jié)果的對(duì)比；（c）扭轉(zhuǎn)角相同，但層間距不同的情況下，仿真得出的AA區(qū)域電場(chǎng)強(qiáng)度分布圖；（d）“魔角”條件下仿真得出的實(shí)空間電場(chǎng)強(qiáng)度分布圖。 圖3（a）所示的相圖展示了不同扭轉(zhuǎn)角和層間距條件下的歸一化局部帶寬。圖中的兩條亮線表示在特定的扭轉(zhuǎn)角與層間距的組合下，局部帶寬達(dá)到了最小值，即光子莫爾能帶中出現(xiàn)了平帶現(xiàn)象。此外，TBPC中的“魔角”隨層間距的增加而減小，這與TBG體系中“魔角”與層間距的關(guān)系相同。進(jìn)一步地，將全波仿真和理論計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)二者吻合良好。在光子“魔角”條件下，AA區(qū)域的電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到了最大值，出現(xiàn)了光局域化現(xiàn)象。上述光子“魔角”現(xiàn)象與石墨烯體系的“魔角”現(xiàn)象相似，進(jìn)一步揭示了費(fèi)米子莫爾系統(tǒng)與玻色子莫爾系統(tǒng)之間的聯(lián)系。TBPC作為一個(gè)自由度更高的平臺(tái)，可以用于觀測(cè)莫爾電子體系中難以觀測(cè)的新物理現(xiàn)象，并反過(guò)來(lái)指導(dǎo)莫爾電子體系（如TBG）的設(shè)計(jì)與研究。這項(xiàng)工作中發(fā)展的理論模型，為未來(lái)進(jìn)一步探索和理解光子在莫爾體系中的行為奠定了基礎(chǔ)。

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