Berry Phase, Berry Connection, and Chern Number for a Continuum Bianisotropic Material From a Classical Electromagnetics Perspective

几何相位 电磁学 Berry连接和曲率 物理 量子 哈密顿量(控制论) 量子力学 经典力学 数学 工程物理 数学优化
作者
S. Ali Hassani Gangaraj,Mário G. Silveirinha,George W. Hanson
出处
期刊:IEEE journal on multiscale and multiphysics computational techniques [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:2: 3-17 被引量:88
标识
DOI:10.1109/jmmct.2017.2654962
摘要

The properties that quantify photonic topological insulators (PTIs), Berry phase, Berry connection, and Chern number, are typically obtained by making analogies between classical Maxwell's equations and the quantum mechanical Schr\"{o}dinger equation, writing both in Hamiltonian form. However, the aforementioned quantities are not necessarily quantum in nature, and for photonic systems they can be explained using only classical concepts. Here we provide a derivation and description of PTI quantities using classical Maxwell's equations, we demonstrate how an electromagnetic mode can acquire Berry phase, and we discuss the ramifications of this effect. We consider several examples, including wave propagation in a biased plasma, and radiation by a rotating isotropic emitter. These concepts are discussed without invoking quantum mechanics, and can be easily understood from an engineering electromagnetics perspective.
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