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苏州大学蒋建华合作团队:位错结构中的拓扑光捕获

发布:lina000288阅读:921时间:2018-12-14 13:25:39

近期,苏州大学蒋建华教授课题组与南京大学蒲英副教授、吴瑞新教授课题组合作,利用实空间及并行波矢空间中的双拓扑性质,揭示了零维拓扑光捕获机制,首次在实验上观测到了拓扑稳定的光学微腔模式,为光学微腔的设计提供了新的思路和技术方案。

光学拓扑绝缘体具有非平庸的无能隙边界态,可以有效地抑制无序结构所引起的背散射,使得拓扑边界态比传统光学模式更加稳健,这种实现光捕获的边界态可以作为单向波导应用在光子集成器件中。然而,对于更低维的拓扑光捕获机制,人们尚未完全弄清楚。以二维拓扑光子系统为例,目前的研究主要聚焦在一维的拓扑边界态上,而针对零维拓扑光子态的研究,无论在理论机制还是实验观测上,均未见报道。若在二维光子系统中,实现受拓扑保护的零维光子局域态,将有望作为光学微腔应用在光子集成器件中,其应用价值不言而喻。

蒋建华教授课题组首先在理论上研究了位错结构中的拓扑束缚态。他们以二维光子晶体为载体,通过破缺系统的时间反演对称性获得拓扑非平庸的能隙,然后引入晶体中常见的位错缺陷结构,从而实现了实空间及并行波矢空间中的“双拓扑性”。数值模拟结果显示,在拓扑平庸的能隙中不存在束缚态,而在具有拓扑非平庸的能隙中有且只有一个稳定的光子束缚态,该光子束缚态是以Jackiw-Rebbi光孤子模式出现的,其产生机制可以通过“切割-粘合”图像来理解。

首先,在位错结构中沿着伯格斯矢量方向插入一块拓扑平庸的光子晶体。由于波矢空间中的拓扑性,这个操作将会在所插入光子晶体不同的边界上引入两个单向边界态,其色散会在时间反演不变的波矢处(如Kx=π/ax)相交。在有限厚度的条件下,两个边界态之间的相互作用则会使这个交点处打开一个能隙,这可用一维带质量的狄拉克方程描述;其中所引入质量项的大小由两个边界态电磁场的交叠积分决定,质量项的分布由于位错的存在将与位置有关。特别地,如果伯格斯矢量是(ax,0),这两个边界态之间的相位差在穿越位错前后会有一个π相位偏移,这会导致质量项符号发生改变,从而在位错中心形成一个畴壁。根据Jackiw-Rebbi理论,在位错中心会有光孤子模式出现。

接着,将所插入的光子晶体厚度逐渐减小到零,并最终使分开的两半位错结构重新粘合一起。在这个过程中,边界态之间的耦合逐渐增强,狄拉克质量项逐渐增加,反映在能谱中的边界态将逐渐渗透到体态中。然而,由于畴壁受到实空间和波矢空间双拓扑性的保护,使得Jackiw-Rebbi光孤子将一直存在于拓扑光子带隙中,其数目则同时取决于伯格斯矢量及能隙以下能带Zak相位之和。


图1 实空间和并行波矢空间“双拓扑”结构中的光捕获效应。(a)晶格中的位错:实空间中的拓扑结构,B表示伯格斯矢量,光学束缚态将出现在位错中心;(b)拓扑光捕获机制演示:拓扑光子晶体中插入一块由绿色区域表示的拓扑平庸光子晶体,在其界面处存在两个传播方向相反的边界态,由于位错的引入(绿色区域上下的光子晶体会相差一个晶格),在位错左(右)侧的上下界面传播波的相位差为π(0);(c)在位错左右两侧界面传播波相位差的不同会导致狄拉克方程质量项符号的改变,并最终导致Jackiw-Rebbi光学孤子模式的出现。

实验方面,南京大学蒲英副教授、吴瑞新教授课题组通过微波实验验证了上述理论研究。实验结果表明,二维钇铁石榴石(YIG)光子晶体在引入位错结构并破缺时间反演对称性后,其拓扑能隙中存在一个光子局域态,对应于光学微腔模式,其特征局域长度接近于真空中的波长。与以往的腔模局域态不同,这种强约束的腔模式受到拓扑保护。这种拓扑保护体现在该腔模式的频率几乎不受外加微扰的影响(如图2(c)~ (f)所示)。


图2 位错结构中的拓扑光捕获(拓扑光学微腔)的实验验证。(a)实验装置:具有位错结构的光子晶体上下由金属铝平板覆盖;(b)光子晶体的体模态及光学微腔模态,PBG I(PBG II)表示光子晶体的第一(二)能隙,其中第一能隙中没有光学局域态,而第二能隙中只存在1个光子局域态(微腔模式);(c)~(f)透射谱以及场图(上插图:模拟,下插图:实验),左侧的插图显示位错附近的晶格排列,其中灰色(绿色)点表示YIG柱子(金属柱),蓝色(紫色)箭头表示电磁波激励源位置(电磁波探测位置)。

上述研究揭示的低维拓扑光捕获机制及实验验证,有望对厄密、非厄密系统中的拓扑激光、时空对称性研究、三维光子晶体中的一维拓扑位错态、准周期光子晶体等方面有着重要的启发意义。相关研究成果以Topological light-trapping on a dislocation为题,发表在Nature Communications [9, 2462 (2018)]上。南京大学的博士生李飞飞、苏州大学的王海啸博士和熊展博士是本文的共同第一作者,南京大学蒲英副教授和苏州大学蒋建华教授为共同通讯作者。该工作受到国家自然科学基金(61671232,61771237,11675116)项目的资助支持。

论文链接:https://www.nature.com/articles/s41467-018-04861-x

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