а) киральные нулевые уровни Ландау обладают характерными киральными транспортными характеристиками. Вводя неоднородную эффективную массу, которая линейно зависит от координаты, система конусов Дирака генерирует синтетическое магнитное поле в плоскости (Bs). В результате нулевая мода одиночной хиральности в этой системе демонстрирует одностороннее распространение, где нулевые моды с левой и правой хиральностью встречно распространяются в указанном направлении. 
b) перенос хиральных нулевых уровней Ландау демонстрирует замечательную устойчивость к дефектам внутри объема. Несмотря на введение значительного дефекта в центре образца, киральная нулевая мода остается неизменной и неожиданно обходит дефект с пренебрежимо малым отражением.
Авторы и права: Хунвэй Цзя, Муди Ван, Шаоцзе Ма, Руо-Ян Чжан, Цзин Ху, Дунъян Ван, К. Т. Чан

Киральные нулевые уровни Ландау представляют собой топологически защищенные объемные состояния, распространяющиеся в одном направлении. В области квантовой теории поля и физики конденсированных сред эти уровни имеют решающее значение для нарушения киральной симметрии и запуска киральной аномалии, которая включает несохранение киральных токов как в физике элементарных частиц, так и в системах конденсированных сред.

Однако предыдущие подходы к реализации киральных уровней Ландау основывались на трехмерных вырождениях Вейля и фоновых магнитных полях, которые создают проблемы для изготовления образцов и ограничивают практическое применение.

В недавней публикации в журнале Light: Science & Applications профессор К. Т. Чан с факультета физики Гонконгского университета науки и технологий (Гонконг, Китай) вместе с группой ученых представил новый подход. Нарушая симметрию локальной инверсии четности в каждой элементарной ячейке, они разработали двумерную фотонную систему с конусом Дирака с неоднородной эффективной массой.

Эта неоднородная эффективная масса создавала синтетическое калибровочное поле в виртуальном направлении, которое взаимодействовало с вырождением Дирака. Благодаря своей работе они успешно расширили киральные уровни Ландау с трехмерных до двухмерных систем и экспериментально подтвердили их односторонний характер распространения.

Кроме того, они ввели в систему дефекты и провели эксперименты по проверке устойчивости киральных нулевых уровней Ландау к обратному рассеянию. Эти выводы значительно упрощают изготовление образцов и сохраняют потенциал для применения в однонаправленных оптических схемах.

В отличие от топологически защищенных поверхностных состояний объемные состояния обеспечивают большую доступность для использования в устройствах связи. Это связано с ограничением энергии внутри системы для объемных состояний, тогда как краевые состояния имеют энергию, которая в основном локализована вблизи границы системы, что делает их более склонными к утечке. Ученые, проводившие исследование, резюмировали основную физику, исключительные свойства и потенциальные применения этих объемных состояний:

«Наша цель состоит в том, чтобы расширить концепцию киральных нулевых уровней Ландау с трехмерных систем Вейля на двумерные системы конусов Дирака. Для достижения этого мы признаем, что двумерную систему конусов Дирака можно рассматривать как подсистему трехмерной системы Вейля, вводя направление, представленное эффективной массой конуса Дирака», — сказали они.

«Сделав эффективную массу неоднородной, мы можем переопределить импульс в этом виртуальном направлении как виртуальный канонический импульс. Следовательно, это порождает синтетическое магнитное поле на 2D-плоскости, которое взаимодействует с конусом Дирака и приводит к образованию плоскостные киральные уровни Ландау».

«Из-за того, что одиночный конус Дирака поддерживает только один киральный нулевой уровень Ландау, переход рассеяния от положительно распространяющейся нулевой моды к отрицательно распространяющейся моде сравним с междолинным рассеянием. Однако этот процесс создает значительные проблемы, поскольку две долины сильно разнесены в импульсном пространстве, что делает такие переходы очень трудными», — добавили они.

«Присущая хиральной нулевой объемной моде устойчивость к обратному рассеянию от дефектов является ключевым фактором ее исключительных свойств. Эта характеристика делает ее очень подходящей для приложений в конструкции односторонних оптических волноводов. Уменьшая размер образца с миллиметров до нанометров, он становится применимым в оптическом диапазоне частот. Это открывает возможности для его широкого использования в устройствах связи, эффективно минимизируя утечку энергии. Ограниченная энергия внутри объема позволяет эффективно управлять передачей информации, еще больше повышая ее доступность», — говорят ученые.