磁電和等離子體激元系統(tǒng)中光的幾何和拓撲效應.pdf

1、本文包括兩個關于光學中幾何和拓撲效應的主題.第一個主題是磁電介質(zhì)與相關的幾何效應.文章中我們回顧了磁電介質(zhì)的電磁學，并且證明了各項同性磁電耦合效應與軸子電動力學，以及類“Chern-Simons”電動力學三者之間的等價性.而且我們還介紹了時空非均勻軸子型磁電介質(zhì)中的Carroll-Field-Jackiw(CFJ)雙折射現(xiàn)象.
　　對于空間非均勻軸子型磁電介質(zhì)，我們發(fā)現(xiàn)，在＜＜k的極限下，磁電耦合Θ（有效軸子場）的梯度，作用于類空

2、CFJ雙折射的兩個本征態(tài)上，相當于一個自旋依賴的規(guī)范勢A±=±(p)/2=±√μ/ε▽Θ/2，因而可以引起一種非固有的光學自旋霍爾效應.也就是說，光子將受到一個自旋依賴的洛倫茲力，進而使得光線劈裂成具有相反圓偏振的兩支.我們還證明了這種有效規(guī)范勢就是位于偏振空間中兩個圓偏振極點上的Pancharatnam-Berry聯(lián)絡.根據(jù)我們的計算，利用自旋依賴洛倫茲力近似得到的光線軌跡與光線的精確解，以及高斯光束模擬的結果都符合得很好.
　

3、　對于含時軸子型磁電介質(zhì)，我們證明了，在這種介質(zhì)中，光波總可以分解成關于同一波矢k簡并的兩個相反圓偏振態(tài).我們將這個現(xiàn)象稱為“時間圓偏振雙折射”(TCB).通過交換空間與時間的地位，我們發(fā)現(xiàn)，當一束線偏振入射光通過一個磁電耦合發(fā)生突變的時間界面，會發(fā)生“時間折射”和“時間反射”，而這對TCB雙折射態(tài)將會同時出現(xiàn)在時間折射光與時間反射光中.兩個TCB偏振態(tài)的疊加還會引起“時間法拉第效應”.“時間法拉第效應”是指一束全空間均一偏振的光，它的

4、偏振軸隨著時間旋轉.同時，我們還研究了高斯波包通過時間界面的情況.我們發(fā)現(xiàn)，如果入射波包的波矢譜幾乎集中于行波禁帶中，那么這個波包的中心將會幾乎停滯，但與此同時波包的光強將會極快的增長.另外，我們還提出了一個實驗方案:將流體置于一對平行且隨時間變化的外電場和外磁場中，當光沿著這對外場方向傳播時，介質(zhì)對光波的作用與含時軸子型磁電介質(zhì)完全相同，從而可以實現(xiàn)我們提出的上述現(xiàn)象.
　　在本文的第二個主題中，我們考慮由金屬納米顆粒組成的蜂窩

5、狀格子，并且研究了其中由局域表面等離激元近場相互作用引起的系統(tǒng)能帶特性.利用耦合偶極子方法和準靜態(tài)近似，我們理論計算了無窮格子的能帶以及有限寬帶狀格子的能帶.與石墨烯類似，帶狀格子不同的邊界形狀決定了布里淵區(qū)中一個k‖處是否存在邊界態(tài)，其中k‖是平行于帶子邊界方向的波矢.格點偶極子之間的相互作用可以分成相互獨立的兩組:平面外偏振模式和平面內(nèi)偏振模式.對于平面外偏振模式，其體能譜和邊界態(tài)的分布都與石墨烯中的電子能帶相同.然而，平面內(nèi)偏振的