角分辨热辐射谱(ARTES)与非厄米超构表面奇异点的测量

作为研究凝聚态物质的重要手段，角分辨光电子能谱(ARPES)可以利用光电效应研究固体的电子结构。那么是否可以利用类似的手段实现不依赖于外部光源的角分辨测量呢？

最近，东南大学仲帆博士与南京大学祝世宁院士、刘辉教授团队以及香港科技大学陈子亭团队合作，发表研究论文（Phys. Rev. Appl. 13, 014071 (2020)），利用角分辨热辐射谱（ARTES: angle-resolved thermal emission spectropy）可以实现不依赖于外界光源的对超构晶体（Metacrystals）光子能带结构测量。由于这一光子结构天然存在辐射损耗，因此这是一个探究非厄米系统的良好平台，在这一平台上可以实现奇异点（Exceptional Points）、连续体中的束缚态（bound states in the continuum）、非厄米的费米弧以及奇异线的测量。

角分辨热辐射测量平台与样品加工

利用精确温控加热器与傅里叶变换红外光谱仪，研究团队搭建了一个角分辨热辐射测试平台。通过这个平台放置于加热器中的样品在加热过程中辐射出的信号就被测量到，在测量过程中平台可以精确控制转角角度与测量频率精度从而实现高分辨的热辐射红外光谱的测量。

角分辨热辐射测量平台的示意图

在这一工作中样品的设计加工也很重要，利用包括光刻在内的微加工技术，实现三层周期性的超构晶体加工，并通过控制其结构参数实现调控样品的等效折射率，最终实现一个非厄米的超构晶体系统。

通过热辐射测量得到奇异点、连续体中的束缚态以及非厄米的费米弧

通过对超构晶体单元顶层结构厚度的调控，可以让色散中的带隙先闭合再打开，在特定的厚度时，可以出现一组奇异点。在特定厚度两侧，可以看到带边的模式出现了对称性的反转。

理论计算：(a, d) 小于特定厚度时超构晶体的色散。(b, e) 出现奇异点特定厚度时超构晶体的色散。(c, f) 大于特定厚度时超构晶体的色散。(g) 将厚度作为参数维度时超构晶体的色散。(h-m) 图(g)中的各点对应的模式。

当去考察额外增加一个参数维度的色散时，可以在其中找到对应的红色实线标注的连续体中的束缚态与用黑色实线标注的非厄米费米弧。实际测量中，通过拟合的方式将回推得到了色散的实部与虚部，证实了在这个体系中可以得到如理论所预言的物理现象。

实验测量：(a-c) FDTD模拟结果。(d-e) 实验测量。(f-l) 提取拟合的实验结果回推色散。

总结与展望：更高维度与更丰富的非厄米系统中的性质

这一工作充分利用了角分辨热辐射测量平台实现了对非厄米的超构晶体的测量，发现了由对称性保护的束缚态、由结构厚度控制的能带翻转、利用辐射损耗构造的奇异点以及链接奇异点的非厄米费米弧，甚至通过构造参数空间增加维度，看到了束缚态轨迹与非厄米费米弧的相交。未来，研究团队会构造更高维的结构，并通过角分辨热辐射测量平台去探究更多更丰富的非厄米物理，并探索其对热辐射调控的应用。

东南大学讲师仲帆、英国帝国理工博士后丁鲲、南京大学博士生张也为论文共同第一作者，东南大学讲师仲帆和南京大学刘辉教授为论文共同通讯。研究团队感谢国家自然科学基金项目。

文章信息：

Angle-Resolved Thermal Emission Spectroscopy Characterization of Non-Hermitian Metacrystals

/10.1103/PhysRevApplied.13.014071