[論文レビュー] Experimental evidence of robust acoustic valley Hall edge states in a topological elastic waveguide

Ting‐Wei Liu, Fabio Semperlotti|arXiv (Cornell University)|Mar 13, 2018

Topological Materials and Phenomena被引用数 1

ひとこと要約

本研究では、空間反転対称性が破れた格子間の界面壁を介して、一方向性のエッジモードを支持するトポロジカルな弾性波ガイドで、頑健な音響バルク・ホールエッジ状態を実験的に示した。反対のバルク偏光を持つモード間の弱い結合により、不純物に起因する逆散乱が抑制され、界面で選択的に入射することで効率的なキラル励起が可能となった。

ABSTRACT

This paper presents experimental evidence of the existence of acoustic valley Hall edge states in topological elastic waveguides. The edge states are supported by a domain wall consisting of a topological phase transition between adjacent lattices having broken space inversion symmetry. Results show that the edge modes can effectively propagate along domain walls and that disorder-induced backscattering is substantially suppressed do to the weak coupling between oppositely valley-polarized modes. The coupling between valley modes is further investigated and motivated in terms of equivalent spins. This analysis provides deep insight in the coupling mechanism of the edge states hence clarifying the origin of their weak coupling and illustrating the (gauge) correspondence with the quantum spin Hall effect. We also show that the weak coupling between the valleys can be exploited to achieve selective mode injection at the domain wall, hence realizing a very effective chiral edge state excitation.

研究の動機と目的

• トポロジカルな弾性波ガイド系における音響バルク・ホールエッジ状態の存在を実験的に示すこと。
• 不純物に起因する逆散乱に対して、これらのエッジ状態の頑健性を調査すること。
• バルク偏光エッジモード間の結合メカニズムを解明し、量子スピンホール効果との類似性を議論すること。
• 界面での弱いバルク間結合を介して、キラルエッジ状態の選択的励起を可能とすること。

提案手法

• 空間反転対称性が破れた2次元弾性波ガイド格子を設計し、トポロジカル位相転移を誘導すること。
• 反対のバルク偏光を持つ2つの隣接格子間の界面壁を形成し、エッジ状態を実現すること。
• さまざまな不純物条件下で界面に沿ったエッジモードの伝搬を実験的に観測すること。
• 等価スピンモデルを用いて反対のバルク偏光モード間の結合を解析し、弱いバルク間結合の起源を説明すること。
• 界面に特定モードを入射させることで、エッジ状態のキラル励起を実証すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 トポロジカルな弾性波ガイドにおいて、音響バルク・ホールエッジ状態を実験的に観測できるか？
• RQ2 不純物がバルク偏光エッジモードにおける逆散乱に与える影響は何か？
• RQ3 反対のバルク偏光モード間の弱い結合の起源は何か？
• RQ4 バルク自由度を用いて、エッジ状態の選択的かつキラルな励起をどの程度実現できるか？

主な発見

• トポロジカルに異なる格子間の界面壁に沿って、音響バルク・ホールエッジ状態が実験的に観測され、その伝搬が頑健であった。
• 反対のバルク偏光モード間の弱い結合のおかげで、不純物に起因する逆散乱が顕著に抑制された。
• バルクモード間の結合メカニズムは、等価スピンモデルを用いて解析的に関連付けられ、量子スピンホール効果とのゲージ対応が明らかになった。
• 弱いバルク間結合により、界面でキラルエッジ状態の選択的励起が可能となり、一方向性伝搬が有効に実現された。