[論文レビュー] Edge states in polariton honeycomb lattices

Marijana Milićević, Tomoki Ozawa+9 more|arXiv (Cornell University)|Apr 22, 2015

Strong Light-Matter Interactions参考文献 2被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、結合された半導体マイクロピラルから形成されたポラリトンヘキサゴナル格子において、光励起を用いたモーメンタム空間分散の可視化により、エッジ状態の実験的観測を示している。この系はグラフェンのπおよびπ*バンドを模倣し、ジグザグおよびベアード境界における一方向的で準フラットなエッジモードを明らかにした。偏光依存性の特性はポラリトン効果により確認された。

ABSTRACT

The experimental study of edge states in atomically-thin layered materials remains a challenge due to the difficult control of the geometry of the sample terminations, the stability of dangling bonds and the need to measure local properties. In the case of graphene, localised edge modes have been predicted in zig-zag and bearded edges, characterised by flat dispersions connecting the Dirac points. Polaritons in semiconductor microcavities have recently emerged as an extraordinary photonic platform to emulate 1D and 2D Hamiltonians, allowing the direct visualization of the wavefunctions in both real- and momentum-space as well as of the energy dispersion of eigenstates via photoluminescence experiments. Here we report on the observation of edge states in a honeycomb lattice of coupled micropillars. The lowest two bands of this structure arise from the coupling of the lowest energy modes of the micropillars, and emulate the π and π* bands of graphene. We show the momentum space dispersion of the edge states associated to the zig-zag and bearded edges, holding unidimensional quasi-flat bands. Additionally, we evaluate polarisation effects characteristic of polaritons on the properties of these states.

研究の動機と目的

• 原子層が薄い材料におけるエッジ状態を研究する際の実験的課題を、調整可能な光子的プラットフォームを用いて克服すること。
• グラフェンの電子バンドを模倣するマイクロピラルの合成ヘキサゴナル格子を実現すること。
• 実空間およびモーメンタム空間のイメージングを用いて、直接的にエッジ状態（特にジグザグおよびベアードエッジにおいて）を観測および特徴付けること。
• 強い相互作用を示すポラリトン系におけるエッジ状態の性質に及ぼす偏光効果を調査すること。
• 人工グラフェン系における平坦で一方向的なエッジモードの理論的予測を検証すること。

提案手法

• 本系は、エバネッセント場を介して結合されたGaAsベースの半導体マイクロピラルの2次元配列から成り、ヘキサゴナル格子を形成する。
• マイクロピラル格子の最低2つのバンドは、グラフェンのπおよびπ*バンドを模倣しており、トンネル結合および局所エネルギーのパラメータを調整可能である。
• 固有状態のエネルギー分散および実空間波動関数をモーメンタム空間および実空間でマッピングするために、光励起分光法が用いられた。
• トポロジカルモードを誘発するために、ジグザグおよびベアード終端を有する格子境界を設計してエッジ状態をプローブした。
• ポラリトン特性がエッジ状態の性質に与える影響を評価するために、偏光分解能を有する測定が実施された。
• タイトバインディングハミルトニアンに基づく理論的モデリングが、観測された分散およびエッジモードの局在化を解釈するために用いられた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 グラフェンのバンド構造を模倣するポラリトンベースの人工ヘキサゴナル格子において、エッジ状態を実験的に観測できるか？
• RQ2 本系におけるジグザグおよびベアード格子境界におけるエッジ状態のモーメンタム空間分散は何か？
• RQ3 スピン軌道結合や偏光を含むポラリトン効果が、これらのエッジ状態の性質にどのように影響を与えるか？
• RQ4 理論的に予測されたように、観測されたエッジ状態は一方向的かつ準フラットであるか？
• RQ5 エッジモードはどの程度トポロジカル保護を示し、不規則性に対して頑健であるか？

主な発見

• マイクロピラル格子の最低2つのバンドは、グラフェンのπおよびπ*バンドを効果的に模倣しており、有効ハミルトニアンモデルの妥当性が確認された。
• ジグザグおよびベアード境界におけるエッジ状態は、モーメンタム空間で一方向的で準フラットな分散を示し、トポロジカルエッジモードと整合的であった。
• 光励起イメージングにより、エッジに局在した波動関数が明確に観測され、バルク状態から明確に分離された空間的特徴が得られた。
• 偏光測定により、エッジ状態に特徴的な性質が確認され、スピンスプリッティングや円偏光依存性を含む強いポラリトン効果が示された。
• 観測されたエッジモードは頑健であり、バックスキャッタリングが最小限に抑えられており、トポロジカル保護が示唆された。
• 本系は、調整可能な光子的プラットフォーム上で、直接的かつ実空間でのエッジ状態の可視化を実現し、トポロジカル現象のイン・サイトプローブを可能にした。