[論文レビュー] Controlled transport based on multiorbital Aharonov-Bohm photonic caging

Gabriel Cáceres-Aravena, Diego Guzmán-Silva+2 more|arXiv (Cornell University)|May 25, 2022

Nonlinear Photonic Systems参考文献 48被引用数 52

ひとこと要約

本稿では、フェムト秒レーザーで作製された波導を用いて、S-P軌道結合による合成πフラックスを誘導する多軌道光格子を提案し、制御可能なアハロノフ＝ボーム封じ込めと方向性輸送を実現する。ダイヤモンド格子において正および負の結合を設計することで、著者らは実験的に3つの簡約化された平坦バンドを有する平坦バンド形成を実証し、入射位相または位置を調整することによりエネルギー輸送を完全に線形制御することに成功した。

ABSTRACT

The induction of synthetic magnetic fields on lattice structures allows to effectively control their localization and transport properties. In this work, we generate effective $\pi$ magnetic fluxes on a multi-orbital diamond lattice, where first ($S$) and second ($P$) order modes effectively interact. We implement a $z$-scan method on femtosecond laser written photonic lattices and experimentally observe Aharonov-Bohm caging for $S$ and $P$ modes, as a consequence of a band transformation and the emergence of a spectrum composed of three degenerated flat bands. As an application, we demonstrate a perfect control of the dynamics, where we translate an input excitation across the lattice in a completely linear and controlled way. Our model, based on a flat band spectrum, allows us to choose the direction of transport depending on the excitation site or input phase.

研究の動機と目的

• SおよびPモード間の軌道間結合のみを用いて、複雑な幾何構造を用いずに光格子内で合成磁束を実現すること。
• 多軌道系におけるアハロノフ＝ボーム封じ込めを実証し、極端な局在化と平坦バンド形成を達成すること。
• 入射位相および励起位置の選択により、コンactな格子構造で制御可能で線形的かつ方向性のあるエネルギー輸送を実現すること。
• 非線形性を必要としない安定な手法を用いて、光集積回路における光の制御を実現すること。
• 将来的な非エルミート的および非線形効果の統合を可能にする、柔軟かつオンデマンドな光的アーキテクチャの基盤を構築すること。

提案手法

• SおよびP波導を有する多軌道ダイヤモンド格子をフェムト秒レーザー加工により作製し、基本モードと二次モード間の制御可能な結合を実現した。
• 波導の向きとモード対称性を調整することで、正および負の結合定数を設計し、各プラケットあたり有効なπフラックスを誘導した。
• zスキャン法を用いて伝搬方向に沿った強度の時間発展を測定し、封じ込めおよび輸送ダイナミクスを観測した。
• ハミルトニアン $-irac{ ext{d}oldsymbol{ ho}}{ ext{d}z} = oldsymbol{V}oldsymbol{ ho}$ を用いたタイトバインディングモデルを用い、サイト依存の結合を含む系のシミュレーションを実施した。
• ブロッホアンザッツを導入してバンド構造を計算し、πフラックス条件下で $E = 0, /pm 2V$ に3つの簡約化された平坦バンドが存在することが明らかになった。
• 励起位置（中央列対比・端部）および位相（同位相対比・反位相）を変化させることで入力依存輸送を探索し、方向性制御を実現した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 SおよびPモード間の軌道間結合のみを用いて、光格子内でφ = πの合成磁束を誘導できるか？
• RQ2 誘導されたπフラックスが、SおよびPモードの両方に対して簡約化された平坦バンドの形成とアハロノフ＝ボーム封じ込めを引き起こすか？
• RQ3 非線形性が存在しない状況下で、入射位相または励起位置を調整することによりエネルギー輸送の方向を線形的に制御できるか？
• RQ4 実験的セットアップにおいて、完全で局在的かつ方向性のある輸送を支えるのに十分な安定性を持つ平坦バンドスペクトルが得られるか？
• RQ5 この系は、非線形性を必要とせず、オンデマンドで光論理演算を実現するための安定なプラットフォームとして機能できるか？

主な発見

• 著者らは、πフラックス条件下で多軌道ダイヤモンド格子においてSおよびPモードの両方でアハロノフ＝ボーム封じ込めを実験的に観測した。強度発展測定によりこれを裏付けた。
• 誘導されたπフラックスにより、3つの簡約化された固有値（$E = 0, /pm 2V$）を有する平坦バンドスペクトルが実現され、それぞれ2重簡約化を示した。
• 中央列の単一サイト励起では完全な局在化（封じ込め）が観測された。一方、端部のサイトで同位相または反位相励起を施すことで、50 mmにわたる完全な方向性輸送が実現された。
• 入射位相を変更することで輸送方向を反転させた：同位相プロファイルでは{Bn, Cn}サイトで左方向、{En±1, Fn±1}サイトで右方向に移動し、完全な制御が可能となった。
• 輸送メカニズムは完全に線形的かつ安定であり、非線形性を必要とせず、光論理および集積光回路における堅牢なソリューションを提供した。
• zスキャン法により伝搬ダイナミクスが成功裏にマッピングされ、封じ込め状態ではエネルギーが数個のユニットセルに閉じ込められ、制御励起下では完全に移動することが確認された。