RESEARCH ARTICLE

Plasma photonic crystal ‘kaleidoscope’ with flexible control of topology and electromagnetism

Jing Wang, Shuang Liu, Weili Fan, Shuo Wang, Cuicui Lu, Yafeng He, Fucheng Liu, Xiaoyong Hu

2024, 17(4): 34.https://doi.org/10.1007/s12200-024-00137-z

Abstract：Continuous development of photonic crystals (PCs) over the last 30 years has carved out many new scientific frontiers. However, creating tunable PCs that enable flexible control of geometric configurations remains a challenge. Here we present a scheme to produce a tunable plasma photonic crystal (PPC) ‘kaleidoscope’ with rich diversity of structural configurations in dielectric barrier discharge. Multi-freedom control of the PPCs, including the symmetry, dielectric constant, crystal orientation, lattice constant, topological state, and structures of scattering elements, has been realized. Four types of lattice reconfigurations are demonstrated, including transitions from periodic to periodic, disordered to ordered, non-topological to topological, and striped to honeycomb Moiré lattices. Furthermore, alterations in photonic band structures corresponding to the reconstruction of various PPCs have been investigated. Our system presents a promising platform for generating a PPC ‘kaleidoscope’, offering benefits such as reduced equipment requirements, low cost, rapid response, and enhanced flexibility. This development opens up new opportunities for both fundamental and applied research.

研究背景

光子晶体（PCs）因其具有从负折射到光局域化的一系列独特的光学性质，在过去30年中一直是光物理领域研究的热点。然而，制造可调的PCs以灵活控制其几何构型仍然是一个挑战。

主要内容

文章提出了一种新型的PPC“万花筒”，它能够在介电阻挡放电（DBD）系统中产生多样化的结构配置，实现了PPC的多自由度控制，包括对称性、介电常数、晶格常数、散射元件结构和晶体取向。研究团队展示了四种晶格重构类型，包括从一种周期性到另一种周期性、从无序到有序、从非拓扑到拓扑，以及从条纹到蜂窝Moiré晶格的转变，同时研究了不同PPCs重构对应的光子带结构的变化。

创新点

文章提出了一种实现可调PPCs的新方案，实现了PPCs对称性、介电常数、晶体取向、晶格常数、拓扑状态和散射元素结构和晶体取向的多自由度控制，该方案具有快速响应（几秒钟）、低成本、可在空气中工作的优点，在集成光学、信号处理、成像、隐身、无线通信等方面具有广泛的应用。

方法

实验装置包括一个水电极和一个金属网电极，通过改变交流电压和频率来控制PPCs。网状水电极的独特设计是产生如此丰富多样的等离子体晶格的关键因素。网状电极引入二维周期性电势，为等离子体晶格提供受约束的晶格常数和对称性，而由于DBD系统的高度非线性效应，这些细丝能够自组织成各种结构，甚至复杂的超晶格。另一方面，水不仅用作导体，还用作冷却介质，以确保晶格的高稳定性。作者利用微波诊断技术检测PPCs的电磁传输特性，并使用COMSOL软件在洛伦兹-德鲁德模型下计算PPCs的色散关系。

结果

展示了PPCs在不同电压下的晶格重构，以及对应的光子带结构的变化，证明了PPCs中拓扑边缘态的单向传播特性，展示了其在微波辐射操控中的潜力。实验和数值模拟结果一致，验证了PPCs的可调控和可重构能力。

总结

这项研究不仅开辟了新的基础和应用研究的可能性，还为集成光学元件、信号处理、成像、隐身和无线通信等领域提供了一个有前景的研究平台，用于开发具有高度灵活性的可调等离子体超材料。