太赫兹手性光子晶体腔实现石墨烯狄拉克能隙调控

研究人员针对时间反演对称性（TRS）破缺与拓扑能带调控的挑战，设计了一种基于轻掺杂InSb磁等离子体的高Q值太赫兹手性光子晶体腔（PCCs），通过结合第一性原理计算与腔量子电动力学（QED）模型，预测了石墨烯狄拉克点处1 meV量级的能隙 opening。该研究为探索手性真空场修饰的凝聚态体系提供了新平台。

　　

在凝聚态物理与量子光学交叉领域，如何通过真空电磁场调控材料本征属性是近年来的研究热点。传统方法依赖外部驱动场打破时间反演对称性（TRS），但存在能耗高、可控性差等问题。尤其对于石墨烯等二维材料，实现狄拉克点能隙 opening 对拓扑量子器件开发至关重要。

美国莱斯大学Junichiro Kono团队在《Nature Communications》发表研究，提出了一种基于轻掺杂InSb的太赫兹手性光子晶体腔（PCCs）设计方案。该腔体利用磁等离子体的非互易特性，在0.2 T弱磁场下实现Q因子>400的TRS破缺，并通过第一性原理计算与腔QED模型结合，预测石墨烯狄拉克点处1 meV的能隙。这一成果为真空场调控拓扑材料提供了新思路。

关键技术包括：1）COMSOL Multiphysics模拟太赫兹手性PCCs的传输谱与模场分布；2）基于密度泛函理论（DFT）计算石墨烯跃迁矩阵元；3）腔QED紧束缚模型量化光-物质相互作用强度。

研究结果：

1. 手性腔设计原理：通过InSb磁等离子体选择性吸收特定圆偏振光，在五层PCCs（空气/InSb/硅/InSb/空气）中实现η(z_max
   )≈1的均匀圆偏振真空场，Q因子达427。
2. 狄拉克能隙增强机制：DFT计算显示石墨烯跃迁矩阵元<>_k
   ^A
   |?|Ψ_k
   ^B
   ?>在狄拉克点增强一个数量级，结合腔模体积χ=0.1034，预测能隙0.88 meV。
3. 可扩展性：通过耦合超表面谐振器可将模体积缩小至χ≈3.2×10^-4
   ，能隙提升至2 meV。

结论与意义：该工作首次将Maxwell方程模拟与DFT计算结合于腔QED模型，为拓扑材料的光调控提供了可量化预测工具。手性PCCs的低磁场需求（0.2 T）和硅缺陷层兼容性，使其成为探索真空场诱导量子反常霍尔效应的理想平台。未来通过反铁磁材料替代InSb，有望实现零磁场TRS破缺。