[論文レビュー] A Monolithic Topologically Protected Phononic Circuit

Si‐Yuan Yu, Cheng He+7 more|arXiv (Cornell University)|Jul 16, 2017

Topological Materials and Phenomena参考文献 29被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、穴あきフォノニクス結晶板を用いた最初のモノリシックで位相的保護されたフォノニクス回路を示しており、設計されたスピン-軌道結合と非自明な位相的不変量により、ロバストで低損失な弾性波伝送を実現している。この系は、不純物に強く影響を受けないエッジ状態を示し、わずかな伝播損失で高精度な波ガイドを実現しており、オンチップフォノニクスデバイスのチップスケール統合を可能にしている。

ABSTRACT

Precise control of elastic waves in modes and coherences is of great use in reinforcing nowadays elastic energy harvesting/storage, nondestructive testing, wave-mater interaction, high sensitivity sensing and information processing, etc. All these implementations are expected to have elastic transmission with lower transmission losses and higher degree of freedom in transmission path. Inspired by topological states of quantum matters, especially quantum spin Hall effects (QSHEs) providing passive solutions of unique disorder-immune surface states protected by underlying nontrivial topological invariants of the bulk, thus solving severe performance trade-offs in experimentally realizable topologically ordered states. Here, we demonstrate experimentally the first elastic analogue of QSHE, by a concise phononic crystal plate with only perforated holes. Strong elastic spin-orbit coupling is realized accompanied by the first topologically-protected phononic circuits with both robustness and negligible propagation loss overcoming many circuit- and system-level performance limits induced by scattering. This elegant approach in a monolithic substrate opens up the possibility of realizing topological materials for phonons in both static and time-dependent regimes, can be immediately applied to multifarious chip-scale devices with both topological protection and massive integration, such as on-chip elastic wave-guiding, elastic splitter, elastic resonator with high quality factor, and even (pseudo-)spin filter.

研究の動機と目的

• モノリシックフォノニクス構造における位相的保護された弾性波輸送を達成すること。
• 従来のフォノニクス回路における散乱損失と性能のトレードオフを克服すること。
• 外部磁場や複雑なヘテロ構造を用いずに、ロバストで低損失な波ガイドを実現すること。
• 高機能性と高品質因子を備えた位相的保護フォノニクスデバイスのチップスケール統合を可能にすること。

提案手法

• 強い弾性スピン-軌道結合を誘導するため、周期的な穴あき2次元フォノニクス結晶板の設計。
• バルクの位相的不変量が非自明な位相的断熱状態を実現するようにバンド構造を設計。
• 界面散乱を排除し、耐障害性を向上させるためにモノリシック基板を採用。
• 位相的保護エッジ状態を活用した一方向伝送を実現する波ガイド幾何構造の実装。
• 伝送スペクトルの測定と欠陥に対する耐性を実験的に検証し、位相的保護の有効性を確認。
• 複雑な経路においてもわずかな損失と高い忠実度で弾性波をガイドできる能力を実証。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 外部磁場や複雑なヘテロ構造を用いずに、モノリシックフォノニクス結晶板が弾性波の位相的保護エッジ状態を支持できるか？
• RQ2 穴あき板における設計されたスピン-軌道結合が、どのように位相的バンドギャップとロバストなエッジ状態を生じさせるか？
• RQ3 実用的な波ガイド構成において、この系がどの程度の低伝播損失と不純物への耐性を維持するか？
• RQ4 このプラットフォームが、位相的保護を備えた高品質因子共振器やオンチップフォノニクス素子を実現できるか？
• RQ5 構造的不完全性の下で、この系の伝送忠実度と耐障害性はどの程度の性能を示すか？

主な発見

• モノリシックフォノニクス結晶板は、位相的保護エッジ状態を示し、ロバストで低損失な弾性波伝送を実現している。
• 位相的波ガイドにおける伝送損失は、構造的欠陥が存在してもほとんど無視できる。
• 不純物に対して免疫を示し、意図的な不完全性が加えられても伝送効率が高く維持されている。
• バルクバンド構造の非自明な位相的不変量のおかげで、エッジ状態は一方向的かつロバストである。
• このプラットフォームは、弾性波ガイド、分岐器、高Q共振器などの多機能オンチップデバイスをサポートしている。
• 外部磁場が不要でモノリシック設計であるため、オンチップフォノニクス回路への直接統合が可能である。