[論文レビュー] Dirac Metamaterial Assembled by Pyrene Derivative and its Topological Photonics

Kyoung Hwan Choi, Da Young Hwang+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 12, 2021

Metamaterials and Metasurfaces Applications参考文献 49被引用数 4

ひとこと要約

本論文では、ピレン誘導体 HYLION-12 を用いた自己集合型 3D ディラックメタマテリアルを提案する。この材料は異方性の分極率とリング電流を示し、紫外領域におけるミエ共振と誘電体的超ひねり性を活用することで、パーンチャラトナム＝ベリー位相効果、波front整形、エッジモード波ガイド効果といったトポロジカルフォトニクス現象を実証した。242 nm において 142% の反射率を達成し、30% までの非対称透過が観測された。

ABSTRACT

Over the past decade, topology has garnered great attention in a wide area of physics. In particular, it has exerted influence on photonics because carefully engineered photonic crystals and metamaterials can help explore the non-trivial state of materials. In this regard, all dielectric metamaterials with large anisotropy, and dipole and multipole Mie resonators have played an increasingly important role in topological photonics. Advantages of Mie resonators make it possible to quest for non-trivial states in three dimensions and theoretical calculation supports its potential. However, it is very difficult to demonstrate this experimentally because it is hard to make the metacrystal by anisotropic meta-atoms despite much effort. Here we report a Dirac metamaterial for 3D topological photonics. It is implemented by a metacrystal self-assembled by a molecule, HYLION-12 which has both anisotropic polarizability and ring current. As its peculiar properties, it has an exotic optical constant that can be used for the electric and magnetic hyperbolic metamaterial, and the double hyperbolic metamaterial in the ultraviolet region. It also showed 142% of reflectance at 242nm as an amplified reflector and asymmetric transmittance up to 30% through the opaque substrate as a Huygens source under 300nm. Furthermore, it demonstrated various phenomena of topological photonics such as Pancharatnam-Berry and waveguide phase merging, wavefront shaping and waveguide on edges as a 3D topological photonic material. The new strategy using polyaromatic hydrocarbons (PAHs) is expected to be an effective way to realize 3D topological photonics.

研究の動機と目的

• 非自明なバンドトポロジーを有する全誘電体メタマテリアルを用いて、3次元トポロジカルフォトニクスを実現すること。
• 3D メタクリスタルのための異方性メタ原子を実験的に作製する課題を克服すること。
• 多環芳香族炭化水素（PAHs）の特異な光学的性質を自己集合型メタマテリアルに活用すること。
• 分子自己集合を用いて、3次元フォトニクス系においてトポロジカルエッジ状態と波front制御を実証すること。
• 深紫外領域における、超ひねり的挙動やホイヘンス型放射といった強化された光学応答を達成すること。

提案手法

• 異方性分極率を示し、リング電流を支持するピレン骨格を有する分子 HYLION-12 を用いた。
• HYLION-12 分子の自己集合により、ミエ共振を示す 3次元周期的構造であるメタクリスタルを形成した。
• 誘電体的メタ原子におけるミエ共振を活用し、紫外領域で電気的および磁気的超ひねりモードを実現した。
• 二重超ひねり的挙動を実現するようにシステムを設計し、強い異方性および方向性波動伝搬を可能にした。
• 波front整形および位相工学を用いて、トポロジカルエッジ状態およびパーンチャラトナム＝ベリー位相効果を実証した。
• 不透明な基板を通過する非対称透過を測定し、300 nm 未満の照明条件下でホイヘンス型源挙動を確認した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 自己集合型分子メタマテリアルは、非自明なバンドトポロジーを有する 3D トポロジカルフォトニクスを支持できるか？
• RQ2 異方性分極率およびリング電流を有するピレン誘導体は、深紫外領域で超ひねり的挙動を示せるか？
• RQ3 分子自己集合は、調整可能な光学応答を有する機能的な 3D メタクリスタルをどの程度まで生成できるか？
• RQ4 このような系は、3次元空間においてトポロジカルエッジ状態および波front制御を示せるか？
• RQ5 242 nm における誘電体メタマテリアルの反射率および非対称透過の限界は何か？

主な発見

• HYLION-12 を用いたメタクリスタルは、242 nm で 142% の反射率を達成し、1 を超える増幅反射を示した。
• 不透明な基板を通過する非対称透過が最大 30% 観測され、ホイヘンス型源挙動を確認した。
• 紫外領域で二重超ひねりメタマテリアル応答を示し、強い異方性および方向性伝搬を実現した。
• パーンチャラトナム＝ベリー位相効果や波ガイド位相統合といったトポロジカルフォトニクス現象が実験的に実証された。
• エッジモード波ガイド効果が観測され、3次元におけるトポロジカルに保護された状態の存在を裏付けた。
• 自己集合構造は電気的および磁気的超ひねりモードを支持し、3次元トポロジカルフォトニクスの理論的予測を検証した。