Topological Transitions in Metamaterials
数学拓扑学的思想在现代物理学的许多方面发挥着重要作用--从相变到场论再到非线性动力学（Nakahara M（2003），《几何、拓扑和物理学》，Brewer DF编（IOP Publishing Ltd，布里斯托尔和费城），Monastryskiy M（1987），《Riemann Topology and Physics》，（Birkhauser Verlag AG））。这方面的一个重要例子是Lifshitz过渡（Lifshitz IM（1960）高压区金属电子特性的异常，Sov Phys JETP 11：1130-1135），金属的费米面从封闭几何到开放几何的转变（由于例如外部压力）导致对电子磁输运的显著影响（Kosevich AM（2004）Topology and solid-state physics. Low Temp Phys 30：97-118）。在这里，我们提出了强各向异性超材料中的Lifshitz转变的光学等效。当这种复合材料的介电常数张量的一个分量改变符号时，相应的等频表面从椭球体变换为双曲面。由于光子态密度可以与由等频表面包围的体积相关，因此超材料中的这种拓扑转变导致光子态密度的急剧变化，从而对与超材料相关的每一个物理参数产生影响-从热力学量（例如其平衡电磁能）到对量子的非线性光学响应，电动效应，例如自发发射。在本文中，我们演示了从放置在超材料表面附近的量子…
2011-09-27 physics.optics
Synthetic crystal rotation with spacetime metamaterials
本文提出利用时空超材料实现合成晶体旋转，突破传统旋转频率限制，揭示了光与旋转体相互作用中能量与自旋角动量守恒的新机制。
2025-06-03 cond-mat.mes-hall physics.optics quant-ph
Topological Photonic Phase in Chiral Hyperbolic Metamaterials
最近，通过模仿某些固态系统（例如拓扑绝缘体）内存在的拓扑顺序来实现光的单向反向散射免疫传输的可能性受到了很多关注。然而，到目前为止，光子学中的非平凡拓扑结构的演示依赖于具有精确设计的晶格结构的光子晶体，其在操作波长的尺度上是周期性的，并且由精细调谐的复杂材料组成。在这里，我们提出了一种新的有效介质的方法，实现拓扑保护的光子表面状态强大的所有长度尺度上的无序和广泛的材料参数。值得注意的是，我们的超材料设计的非平凡拓扑结构是由均匀介质中电磁波的横向性引起的Berry曲率引起的。因此，我们的研究起到了弥合拓扑能带理论和经典光学现象，如光的自旋霍尔效应之间的差距。拓扑相位的有效介质路径将为电磁波在集成光子电路中的高度紧凑的单向传输铺平道路。
2014-12-19 physics.optics
Torus-Projected Electromagnetic Wormholes Enabled by Anisotropic Singularity Reconstruction of Metamaterials
Department of Physics, Xiamen University（厦门大学物理系）
本文提出通过超材料各向异性奇点重构实现环形投影电磁虫洞，利用坐标映射控制虚拟空间拓扑结构，展示各向异性折射率对奇点结构和拓扑的调控，并实现可调的黑洞状捕获、场再分布和几何控制的波响应。
2026-05-20 physics.optics
Unconventional bound states in the continuum from metamaterial induced electron-acoustic plasma waves
本文提出基于双网超材料基带消失均匀化电磁场的新机制，实现无其他共振干扰且参数鲁棒的连续谱束缚态，并预测了体约束电子声学波模式和拓扑表面束缚态两种新类型。
2022-02-24 cond-mat.mtrl-sci physics.optics physics.plasm-ph
Local field topology behind light localization and metamaterial topological transitions
我们重新审视的机制，在表面等离子体激元（SPP）模式的光的亚波长空间定位调查在SPP频率的光功率流的本地和全球的功能。对瞬时坡印廷矢量的仔细检查揭示了在金属-电介质界面处形成的光学涡旋-循环功率流的局部区域。因此，光能通过金属和电介质之间的亚波长厚的“传送带”循环，在那里它产生高密度的光学状态（DOS），紧密的光能局域化和与SPP波相关的低群速度。金属-电介质-金属波导中成键和反键SPP模式的形成也可以方便地用两个金属界面之间局部功率流涡旋的不同空间布置来解释。最后，我们研究了由多个金属和电介质薄膜组成的超材料中全局拓扑转变的潜在机制，即，过渡的等频面从椭球到双曲面，这是不伴随着打破晶格对称性。我们的分析表明，这种全球性的拓扑转变是由动态的局部重新安排的局部拓扑特征的光学干涉场，如旋涡和鞍点，重新配置全球光学功率流内的超材料。这些对等离子体光局域化和DOS操纵的新见解不仅有助于解释SPP波的众所周知的性质，而且还为各种实际应用的等离子体元件和材料的设计提供了有用的指导方针。
2015-02-11 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.optics
Effective Medium Perspective on Topological Transitions in Metamaterials
光子结构的许多性质依赖于带拓扑，其特征在于整数不变量可以在拓扑转变期间改变，并产生无序鲁棒的拓扑边、角或界面状态。通常，这种结构的周期与波长相当。然而，在许多情况下，单位单元变得深亚波长，因此整个超材料可以用有效材料参数来描述。在这里，专注于亚波长拓扑超材料，我们确定的行为的介电常数和磁导率伴随的拓扑结构的例子具有$D_6$对称性的转变。
2022-03-22 physics.app-ph physics.optics
Direct experimental access to the bulk band inversion in a topological metamaterial
本研究针对拓扑系统体带结构编码拓扑的特性，通过二维动量空间映射技术，在SSH激子极化激元链中直接观测到体带反转及子晶格对称性的动量依赖反转，为拓扑相研究提供新工具。
2025-11-11 physics.optics
Transformation Optics for the Modelling of Waves in a Universe with Nontrivial Topology
我们考虑如何变换光学和隐形斗篷可以用来构建模型的子集$\mathbb{R}^3$与不同的度量，其中的时间谐波为一个给定的角波数$k$，是等价的波在一些封闭的可定向流形。所获得的模型原则上可以使用由超材料构建的设备来物理实现。特别地，由亥姆霍兹源-解算子给出的超材料器件中的测量值等效于由$(\mathbb{R}_+\times M, -dt^2 +g)$给出的宇宙中的亥姆霍兹源-解测量值，其中$(M,g)$是封闭的、可定向的、$C^\infty$ -平滑的、3维黎曼流形。因此，所获得的结构可以用于使用超材料器件来模拟宇宙学模型。
2021-03-25 math-ph math.AP math.MP
Anapole plasmonic meta-atom enabled by inverse design for metamaterials transparency
本文通过拓扑优化设计了一种平面等离激元纳米结构，实现可见光区近理想环极态，具有弱吸收、高场增强和散射抑制，可作为低互耦超构原子，适用于传感，并提出了无需环偶极矩的环极态新概念。
2023-03-01 physics.optics
Soliton metacrystals: topology and chirality
利用纳米制造技术设计具有所需能带结构、拓扑结构和手性的超材料，将彻底改变现代科学，并影响日常生活。然而，这项工作的方法是不同的。我们取一个周期序列，即，超晶体，耗散光孤子旋转在一个单一的环形微谐振器，并证明其性质的电磁超材料作用在无线电太赫兹频率范围。亚晶晶胞由束缚的孤子对组成，它们之间的距离被用作控制参数。本文报道了孤子亚晶的能带结构及其拓扑性质。后者是由晶体声子的几何（Zak）相位所经历的$π$台阶的存在所证实的。此外，我们还发现了通过去除多个孤子而形成缺陷的亚晶中的声子边缘态。对应于孤子变晶的光学频率梳揭示了作为时空手性签名的光谱蝴蝶图案，并且与说明手性自然发生的蝴蝶翅膀相似。
2022-10-08 physics.optics
Nano-Focusing of Vortex Beams with Hyperbolic Metamaterials
本文利用双曲超材料中的高面内波数模式实现涡旋光束的亚衍射极限聚焦，并通过自旋-轨道相互作用形成深亚波长光学斯格明子，为纳米尺度光与物质相互作用研究开辟新途径。
2024-06-07 physics.optics
On the Geometry and Topology of Transformation Optics
通过在物理空间中引入拓扑亏损，将变换光学的几何模型推广到有挠的Rieman-Cartan空间。通过放松可积条件，我们明确地表明，广义等效介质是双各向异性的磁电耦合参数出现的位错密度。我们还展示了光的轨道角动量的产生。我们的理论可能为用超材料控制光的矢量自由度打开有趣的场所。
2014-11-25 cond-mat.mes-hall physics.optics
Spontaneous Emission in Nonlocal Materials
光与物质的相互作用可以被周围的环境显著地改变。在这里，我们报告的第一个实验观察分子自发发射内的高度非局部超材料的基础上的等离子体纳米棒组件。我们发现，发射过程不仅是由其局部有效介质色散的拓扑结构，但也由复合材料的非局部响应，使不同的几何参数，但相同的局部有效介质属性的超材料表现出不同的Purcell因子。一个创纪录的高增强的衰变率观察，在协议与开发的定量描述的Purcell效应在非本地介质。工程材料的非定域性为量子电动力学引入了额外的自由度，从而在量子信息处理、光化学、成像和传感中实现了新的应用。
2016-05-16 physics.optics
Spin-governed topological surfaces and broken spin-momentum locking in a gyromagnetic medium
等距曲面的拓扑结构在表征电磁波与介质相互作用中起着至关重要的作用。因此，工程的拓扑结构在复杂介质中导致新的应用，从超分辨率显微镜与双曲超材料的亚波长波导结构。在这里，我们调查的自旋管辖的性质，在一般的旋磁介质中的Issues表面。我们表明，回转性也起着重要的作用，在介质的拓扑性质，随着各向异性的磁导率和介电常数。尽管拓扑主要取决于磁导率，但回转性可以抑制或支持某些拓扑表面的存在。我们揭示了拓扑表面的陀螺约束和光子自旋轮廓之间的联系。沿等磁表面的自旋轮廓被锁定到材料上，导致旋磁介质中的自旋-动量锁定的非互易性和打破。进一步，我们发现自旋-动量锁定和材料自旋锁定之间的冲突导致了导波结构中的非对称模式分布和陀螺诱导截止。我们的工作提供了重要的见解拓扑结构，自旋和非互易性之间的联系，在回转介质。
2021-02-03 physics.optics
Temporal Localisation of Waves from Imaginary Line-Gap Topology
University of Birmingham（伯明翰大学）；University of Rostock（罗斯托克大学）；Imperial College London（伦敦帝国理工学院）
本研究探讨非厄米系统中虚数线隙拓扑导致波的时间局域化，提出对称性判据，为观测拓扑保护的时间局域化提供指南。
2026-09-15 physics.optics
