背景
在凝聚态物理领域，强磁场能够诱导电子形成分立的朗道能级，并催生出量子霍尔效应等一系列颠覆性物理现象。然而，要在经典波系统中（特别是光学频段）实现足以模拟量子效应的极强真实磁场面临着巨大的技术挑战。近年来，赝磁场作为一种创新性的解决方案，通过在人工结构中引入特定的几何形变或参数调制，成功在光子、声子等经典波系统中模拟出磁场的物理效应，为波动物理的精密调控开辟了新方向。
以往研究已通过在光子超晶格中施加单轴梯度形变，成功在动量空间布里渊区角落附近诱导出平朗道能级。然而，这些能级的平坦度和动量空间覆盖范围往往受限，且对非均匀赝磁场的调控潜力尚未充分挖掘。如何实现高质量、大带宽的光子平朗道能级，并同时实现鲁棒的单向传输，成为该领域亟待突破的关键科学问题。
南京大学超导电子学研究所金飚兵教授团队，联合蒲殷教授、陈伟教授以及香港科技大学陈子亭院士等合作者，提出并实验验证了一种全新的反对称非均匀赝磁场设计方案。该工作通过精妙的光子晶体超晶格设计，首次在布里渊区中心（Γ点）附近实现了高质量的光子平朗道能级，并同时观测到了拓扑保护的谷狄拉克扭结模式。
研究团队设计了一种具有镜像对称性的三角形光子晶体超晶格（图1）。与以往研究采用的小范围形变不同，他们创新性地施加了大范围单轴梯度形变，使得原本位于布里渊区K和K'点的两个狄拉克锥相向移动，最终在M点相遇并湮灭。这种大范围形变策略是实现Γ点附近平朗道能级的关键（图2c-d）。
通过精心设计的形变参数空间分布，研究者在同一超晶格中创造了两个相邻但符号相反的赝磁场区域（图2e）。这种反对称非均匀赝磁场分布不仅诱导出双重简并的零阶平朗道能级模式（图2f-g），还在两个区域的界面处自然地形成了拓扑保护的单向谷狄拉克扭结模式（图2h）。
尤为重要的是，非均匀赝磁场为能带工程提供了一个全新的自由度。研究表明，通过精细调控赝磁场的空间分布，能够同时增强平朗道能级的平坦度和拓宽其在动量空间的覆盖范围，有效克服了有限尺寸体系的技术局限（图2i）。
团队通过微波近场扫描测量系统，对理论预言进行了系统的实验验证。图3展示了实验观测到的电磁场分布：在12.6 GHz激励下，电磁波能量被局域在赝磁场的上下边界，对应奇宇称平朗道能级模式；而在11.6 GHz和13.3 GHz，则观测到电磁波沿赝磁场界面进行单向传播，分别对应偶宇称和奇宇称谷狄拉克扭结模式。实验与仿真结果高度一致。
图4进一步揭示了谷狄拉克扭结模式的独特性质。通过手性映射分析（图4a）和选择性激发实验（图4b-d），研究证实了波传播方向与激发位置和极化态的锁定关系——这种位置依赖的单向传输特性为设计新型光子器件提供了前所未有的灵活性。
该研究在基础物理和实际应用层面均具有重大意义：
1. 基础物理突破：首次在光子晶体中通过反对称非均匀赝磁场同时实现平朗道能级和谷狄拉克扭结模式，深化了对赝磁场调控波动物理的理解。
2. 技术创新：提出的大范围形变策略和非均匀赝磁场调控方法，为光子能带工程提供了新范式。
3. 应用潜力广阔：
平朗道能级模式拥有高密度态，可显著增强光与物质的相互作用，在非线性光学增强、量子光源、光催化等领域具有应用前景。
谷狄拉克扭结模式具备拓扑保护的单向传输特性，且对缺陷和扰动具有鲁棒性，为设计低损耗光波导、光学隔离器、拓扑光路由器等新型光子器件奠定了基础。
该架构的可编程特性使其有望成为集成光子计算和量子模拟的重要平台组件。
这项研究不仅实现了高质量光子平朗道能级的可编程调控，更开辟了通过赝磁场设计多功能、高性能光子器件的新途径，为下一代集成光子技术的发展提供了关键技术支持。
图1：实现光子平朗道能级的两种梯度形变策略对比
图1a-b对比了两种不同的单轴梯度形变策略。小范围形变（a）使狄拉克锥在K/K'点附近微小偏移，产生的平朗道能级（c）局限在狭窄动量区域。大范围形变（b）使狄拉克锥从K/K'点相向移动至M点湮灭，产生的平朗道能级（d）出现在Γ点附近，拥有更宽的平坦区域。
图2：光子晶体超晶格设计、相变与非均匀赝磁
图2a展示单元结构形变；b-d揭示形变导致的拓扑相变过程；e展示镜像对称超晶格结构及反对称赝磁场分布；f显示Γ点附近的双重简并零阶平朗道能级；g-h为模式场分布；i展示相位涡旋与传播手性的关联。
图3：平朗道能级与谷狄拉克扭结模式的实验观测
通过实验（b）与模拟（a）对比，验证了平朗道能级模式（12.6 GHz）的局域特性，以及谷狄拉克扭结模式（11.6 GHz和13.3 GHz）的单向传播特性。
图4：谷狄拉克扭结模式的手性映射与单向传输验证
图4a的手性映射定量表征传播方向性；b证实传播方向对激发位置的依赖性；c-d的实验与仿真传输谱在11.4-13.3 GHz频段吻合，确证谷锁值单向传输。
上述突破性研究成果以Photonic Flat Landau Levels Induced by Antisymmetric Nonuniform Pseudomagnetic Fields为题，于2025年10月21日发表在国际物理学顶级期刊《物理评论快报》（Physical Review Letters，影响因子：9.185）上。
文献来源：
Zhang X, Liang L, Shao K, Li F, Jin B*, Wang H, Poo Y*, Chen W*, Chan C T*. Photonic Flat Landau Levels Induced by Antisymmetric Nonuniform Pseudomagnetic Fields. Physical Review Letters 135, 176602 (2025).