Floquet規(guī)范轉(zhuǎn)變誘導(dǎo)拓?fù)洇心．a(chǎn)生的理論分析

宋萬鴿,祝世寧,李 濤

(南京大學(xué)現(xiàn)代工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院，南京 210023)

0 引 言

隨著整數(shù)量子霍爾效應(yīng)和量子自旋霍爾效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)[1-3]，拓?fù)浣^緣體逐漸引起了人們的關(guān)注[4-5]。拓?fù)浣^緣體的能帶具有獨(dú)特的拓?fù)涮匦裕梢杂梅瞧接沟氖軐?duì)稱性保護(hù)的拓?fù)湫騺砻枋鯷6-8]。在非零的拓?fù)湫蛳拢負(fù)浣^緣體在整體上是絕緣的，而在其表面存在著導(dǎo)通的表面態(tài)。這種表面態(tài)具有單向傳輸?shù)奶攸c(diǎn)，并且是受拓?fù)浔Ｗo(hù)的，因此具有背散射免疫的特性，對(duì)局部結(jié)構(gòu)擾動(dòng)和無序表現(xiàn)出較強(qiáng)的魯棒性。近年來，不同種類的拓?fù)鋺B(tài)已經(jīng)在各種各樣的體系中被發(fā)現(xiàn)，包括準(zhǔn)晶體[9]、高階拓?fù)浣^緣體[10]、非厄米系統(tǒng)[11]和周期性驅(qū)動(dòng)的Floquet系統(tǒng)[12]等。其中，在一維拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，Su-Schriffer-Heeger(SSH)模型是一個(gè)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單而內(nèi)涵豐富的系統(tǒng)。它描述的是聚乙炔鏈中由C—C單雙鍵交替排列的鏈中插入相鄰兩個(gè)單鍵或兩個(gè)雙鍵構(gòu)成的扭結(jié)(kink和antikink)中發(fā)現(xiàn)的一種拓?fù)涔伦討B(tài)[13-14]，即所謂的零模[15]。零模具有對(duì)局部結(jié)構(gòu)擾動(dòng)和無序的魯棒性，已被用于實(shí)現(xiàn)魯棒性光傳輸[16]、拓?fù)浼す鈁17]、邏輯運(yùn)算[18]等方面。

另一方面，周期性驅(qū)動(dòng)的Floquet系統(tǒng)也表現(xiàn)出了豐富的拓?fù)湫?yīng)，F(xiàn)loquet系統(tǒng)的哈密頓量在時(shí)間上是周期性的，即H(t+T)=H(t)，其中T為周期。人們可通過調(diào)節(jié)頻率和幅度來設(shè)計(jì)準(zhǔn)能帶結(jié)構(gòu)并探索非平庸的物理效應(yīng)。例如異常的拓?fù)銯loquet邊界模式[19]、“ 0”和“π” Majorana模式[20]以及關(guān)聯(lián)的Floquet相[21]等。其中，周期性驅(qū)動(dòng)的SSH模型也逐漸吸引了人們的關(guān)注[22-25]，人們發(fā)現(xiàn)了其中蘊(yùn)含一種全新的拓?fù)洇心22]。與靜態(tài)零模不同，π模式表現(xiàn)出周期性的振蕩特征。此外π模也具有拓?fù)浔Ｗo(hù)特性，因此對(duì)結(jié)構(gòu)擾動(dòng)也表現(xiàn)出良好的魯棒性。

值得一提的是，前面提到的多種拓?fù)鋺B(tài)有一個(gè)共同點(diǎn)，即它們都出現(xiàn)在具有不同拓?fù)湎嗟膬蓚€(gè)系統(tǒng)之間的界面上，這就是著名的體邊對(duì)應(yīng)關(guān)系[8]。然而，最近有研究表明，在Floquet系統(tǒng)中，即使拓?fù)湎嗍且恢碌?，但如果Floquet規(guī)范場(chǎng)[26-27]不同，也有可能產(chǎn)生拓?fù)溥吔鐟B(tài)。這種規(guī)范相變引起的拓?fù)鋺B(tài)及單向傳播現(xiàn)象在彎曲的硅波導(dǎo)陣列系統(tǒng)中成功被實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到[28]，但是背后的物理機(jī)理還未完全清楚。

本文深入研究了Floquet系統(tǒng)中規(guī)范場(chǎng)對(duì)于系統(tǒng)準(zhǔn)能帶以及π模式演化的影響。通過將Floquet系統(tǒng)與Jackiw-Rebbi (JR)模型[29]進(jìn)行類比，推導(dǎo)出了π能隙質(zhì)量項(xiàng)與Floquet規(guī)范的關(guān)系，從而闡明了Floquet規(guī)范的物理內(nèi)涵，揭示了Floquet規(guī)范轉(zhuǎn)變誘導(dǎo)拓?fù)洇心５漠a(chǎn)生機(jī)理。

1 周期性驅(qū)動(dòng)的SSH模型

考慮在一個(gè)光波導(dǎo)陣列當(dāng)中實(shí)現(xiàn)周期性驅(qū)動(dòng)的SSH模型[22-25]。根據(jù)波導(dǎo)陣列的亥姆霍茲方程與薛定諤方程的形式上的一致性，波導(dǎo)的傳播方向?qū)?yīng)于時(shí)間。因此，如果將波導(dǎo)進(jìn)行周期性彎曲，則可實(shí)現(xiàn)體系的含時(shí)調(diào)制。圖1(a)是周期性調(diào)制的SSH模型示意圖，可以看到，波導(dǎo)之間的間距隨著傳播方向z而周期性地發(fā)生變化。如果假設(shè)波導(dǎo)彎曲調(diào)制滿足正弦型調(diào)制，即x0(z)=Acos(2π/Pz)，那么波導(dǎo)之間的間距滿足d(z)=d0±Acos(ωz+φ)，這里d0是波導(dǎo)之間的平均間距，z為傳播方向，A為彎曲幅度，ω=2π/P為彎曲頻率，φ為彎曲的初相(這里φ=0)，即所謂的Floquet規(guī)范[26-28]。耦合系數(shù)c隨z變化的關(guān)系可以近似寫為c(z)=c0±δccos(ωz+φ)，其中c0是波導(dǎo)之間的平均耦合系數(shù)，δc是耦合系數(shù)的最大變化量?？梢钥吹?，c是具有周期性的，在一個(gè)周期內(nèi)，最強(qiáng)最弱的耦合系數(shù)分別為c0+δc和c0-δc。該體系哈密頓量可以寫為：

圖1 (a)波導(dǎo)陣列中周期性調(diào)制的SSH模型示意圖；(b)Floquet規(guī)范轉(zhuǎn)變界面示意圖

(1)

下面，考慮把兩個(gè)具有不同F(xiàn)loquet規(guī)范的陣列拼在一起，形成一個(gè)Δφ≠0的界面，如圖1(b)所示(這里左邊陣列φ1=φ0=0，右邊φ2=φ1+Δφ=π，其他參數(shù)一致，Δφ是左右陣列的規(guī)范差)。雖然兩個(gè)陣列的拓?fù)洳蛔兞渴窍嗤模丛摻缑嫣帥]有拓?fù)湎嘧?，但是如果?=φ1+π，即Δφ=π，那么在該界面處會(huì)由于Floquet規(guī)范的轉(zhuǎn)變而出現(xiàn)π模[28]，如圖2(b)所示，可以看到界面處也出現(xiàn)了局域的場(chǎng)分布。為了解釋規(guī)范相變引起拓?fù)鋺B(tài)的物理機(jī)理，本文采用Floquet理論[24,30-31]來處理該周期性驅(qū)動(dòng)的系統(tǒng)。

圖2 (a)周期性驅(qū)動(dòng)SSH模型中π模的場(chǎng)分布;(b)具有Floquet規(guī)范轉(zhuǎn)變的π模的場(chǎng)分布。總波導(dǎo)根數(shù)為80，F(xiàn)loquet規(guī)范轉(zhuǎn)變界面位于第40根波導(dǎo)附近

根據(jù)Floquet理論，該體系的薛定諤方程的解可以寫成Floquet態(tài)的疊加：

|ψα(z)〉=exp(-iεαz)|uα(z)〉

(2)

式中：εα是準(zhǔn)能量，為ω的整數(shù)倍；|uα(z)〉是相應(yīng)的Floquet模式，是P的周期函數(shù)|uα(z+P)〉=|uα(z)〉。

將式(2)代入薛定諤方程，可以得到相應(yīng)的特征值方程：

(3)

將哈密頓量H(z)和Floquet模式|uα(z)〉進(jìn)行頻譜分解，得到：

(4)

(5)

由此，可以得出與時(shí)間(z)無關(guān)的Floquet方程：

(6)

下面，將Floquet理論應(yīng)用于周期性彎曲波導(dǎo)陣列系統(tǒng)。圖1(b)所示的具有規(guī)范轉(zhuǎn)變的Floquet波導(dǎo)系統(tǒng)的哈密頓量可以寫為：

(7)

式中：N是每個(gè)陣列的波導(dǎo)數(shù)(N是偶數(shù))，總波導(dǎo)數(shù)是2N。根據(jù)Floquet理論，可以將式(7)的哈密頓量表示為與時(shí)間無關(guān)的項(xiàng)和與時(shí)間周期相關(guān)項(xiàng)之和：

H(z)=H0+Hp(z)

(8)

其中：

(9)

以及：

(10)

H0和Hp可以進(jìn)一步寫為2N×2N矩陣形式：

(11)

以及：

Hp(t)=H1e-iωt+H-1eiωt

(12)

注意，這里將傳播常數(shù)β0設(shè)為零作為參考值。式(12)中分量H1和H-1表示為：

(13)

因此，式(6)中與時(shí)間無關(guān)的Floquet方程可以用塊矩陣運(yùn)算符表示為以下特征值問題：

(14)

其中Floquet哈密頓量為：

(15)

式(14)揭示了Floquet理論的本質(zhì)。它可以將一維時(shí)間周期問題轉(zhuǎn)換為二維時(shí)間無關(guān)問題，除了原來的空間維度i之外，另一個(gè)人工維度由Floquet指數(shù)n構(gòu)成，又稱Floquet復(fù)制帶，第n個(gè)Floquet復(fù)制帶的準(zhǔn)能量會(huì)出現(xiàn)nω的偏移[24,30-31]。若將式(15)在足夠大的n處截?cái)啵梢郧蟮檬諗康奶卣飨蛄?即本征模式分布)和特征值(即準(zhǔn)能量)。

2 Floquet規(guī)范轉(zhuǎn)變誘導(dǎo)拓?fù)洇心５漠a(chǎn)生機(jī)理

為了解釋該π模式的出現(xiàn)原因，可以在Bloch基中重新寫出系統(tǒng)的哈密頓量。為此，必須考慮如圖1(a)所示的具有周期性的體系。根據(jù)平移對(duì)稱性，可以將實(shí)空間中的哈密頓量式(1)變換到動(dòng)量空間k中[31]：

H(k,z)=[(c0-δccos(ωz+φ))+(c0+δccos(ωz+φ))cos(k)]σx+(c0+δccos(ωz+φ))sin(k)σy

(16)

式中：k是準(zhǔn)動(dòng)量(晶格常數(shù)設(shè)置為1)；σx，σy是Pauli矩陣。由于該哈密頓量遵循反對(duì)易關(guān)系{H(k，z),σz}=0[22]，因此該系統(tǒng)具有由Pauli算子σz定義的手性對(duì)稱性。在這種情況下，式(15)中的Floquet哈密頓量HF的矩陣塊可以寫為：

H0=[c0+c0cos(k)]σx+c0sin(k)σy

(17)

(18)

將式(17)和式(18)代入式(15)中，可以得到動(dòng)量空間中的Floquet哈密頓量HF。這里取五個(gè)Floquet復(fù)制帶，即n=0、±1和±2，因此HF是10×10的矩陣：

(19)

求解式(19)，可以得到關(guān)于準(zhǔn)動(dòng)量k的準(zhǔn)能譜，如圖3所示?？梢钥吹?，在高頻下(例如ω/4c0=2)，不同的復(fù)制帶被完全分開，并且π能隙是打開的，但是是平庸的(見圖3(a))。隨著頻率降低(ω/4c0=1)，復(fù)制帶彼此恰好接觸(例如，n=0和n=±1，n=±1和n=±2，見圖3(b))。進(jìn)一步降低頻率(例如ω/4c0=0.5)，復(fù)制帶可以相互交疊并重新打開非平庸的π能隙(見圖3(c))。但是，當(dāng)將驅(qū)動(dòng)頻率降低到ω/4c0=1/3時(shí)，其中n=2和n=-1(n=-2并且n=1)復(fù)制帶恰好交叉，則π能隙會(huì)重新閉合(見圖3(d))。因此，隨著頻率從0增大，π能隙會(huì)在ω/4c0=1/3處開始打開，在ω/4c0=1處關(guān)閉，并且在該區(qū)域會(huì)形成拓?fù)洇心Ｊ健?/p>

圖3 動(dòng)量空間中不同彎曲頻率的準(zhǔn)能量譜，清楚地顯示了Floquet系統(tǒng)中π能隙的開-閉-開機(jī)制

為了研究Floquet規(guī)范轉(zhuǎn)變的影響，將Floquet哈密頓量簡(jiǎn)化為僅包含n=1和n=0之間的兩個(gè)相關(guān)Floquet復(fù)制帶。相應(yīng)的Floquet哈密頓量HF為：

(20)

式(20)的準(zhǔn)能譜如圖4(a)所示，包含四條能帶。因?yàn)棣心芟杜c兩個(gè)中心能帶密切相關(guān)，因此在排除了第一和第四能帶而保持中心能帶不變的情況下，可以得到緊湊的有效哈密頓量：

(21)

其中對(duì)角線項(xiàng)代表兩個(gè)不受擾動(dòng)的Floquet帶(n=0的上帶，n=1的下帶)，非對(duì)角線項(xiàng)對(duì)應(yīng)于周期性彎曲調(diào)制引起的兩個(gè)帶的耦合。

式(21)的特征值為：

(22)

下面，將式(22)在k=k0附近展開，并保留k的第一階近似，得到：

(23)

若假設(shè)δc/c0→0，則k0和Δπ可以近似表示為：

(24)

(25)

則式(23)的準(zhǔn)能量可以進(jìn)一步簡(jiǎn)化為：

(26)

式(26)的能帶如圖4(b)中黑色加粗點(diǎn)線所示，注意式(26)僅在k=k0附近有效。

可以從準(zhǔn)能量色散方程式(26)中得出Floquet波導(dǎo)系統(tǒng)的類似狄拉克哈密頓量的形式HFD：

(27)

其中I2×2是單位矩陣。Floquet-Dirac質(zhì)量項(xiàng)為mπ=(Δπ/2)e-iφ，其中φ即為Floquet規(guī)范，在這里充當(dāng)質(zhì)量項(xiàng)的相位。特別地，如果Floquet規(guī)范反向，即φ→φ+π。則質(zhì)量項(xiàng)mπ→(Δπ/2)e-i(φ+π)=-(Δπ/2)e-iφ=-mπ將獲得相反的符號(hào)。根據(jù)式(7)，兩個(gè)陣列的Floquet規(guī)范分別為φ1和φ2(φ2=φ1+π)。因此該系統(tǒng)具有相反的π能隙質(zhì)量項(xiàng)，即mπ1=-mπ2。盡管兩個(gè)陣列的都具有非平庸且相等的拓?fù)渥兞?Gπ=1)，但Floquet規(guī)范相變會(huì)引起相反的π能隙質(zhì)量項(xiàng)，因此根據(jù)Jackiw-Rebbi模型[29]，在質(zhì)量項(xiàng)反轉(zhuǎn)的界面處會(huì)出現(xiàn)拓?fù)渚钟蚰Ｊ?，即所謂的規(guī)范相變誘導(dǎo)的π模式，如圖4(c)所示。

圖4 (a)動(dòng)量空間中的準(zhǔn)能量譜，其中僅考慮兩個(gè)復(fù)制帶(n=0，1);(b)形成π能隙的準(zhǔn)能量譜,黑色加粗虛線是通過在k=k0附近保留k的一階近似并假定δc/c0→0得到的;(c)Floquet規(guī)范相變誘導(dǎo)π界面態(tài)產(chǎn)生的示意圖

3 結(jié) 論

本文利用Floquet理論對(duì)周期性驅(qū)動(dòng)的SSH模型進(jìn)行了分析，構(gòu)建出類似于Jackiw-Rebbi模型的哈密頓量，研究了Floquet系統(tǒng)中規(guī)范對(duì)于系統(tǒng)準(zhǔn)能帶以及模式的影響。闡明了Floquet規(guī)范的物理內(nèi)涵為π能隙質(zhì)量項(xiàng)的相位。由此揭示了Floquet規(guī)范轉(zhuǎn)變誘導(dǎo)拓?fù)洇心５漠a(chǎn)生機(jī)理，即Floquet規(guī)范轉(zhuǎn)變會(huì)造成π能隙的質(zhì)量項(xiàng)的反號(hào)，帶來能帶的翻轉(zhuǎn)，從而在界面處誘導(dǎo)產(chǎn)生拓?fù)洇心！?/p>