[論文レビュー] Experimental observation of robust surface states on photonic crystals possessing single and double Weyl points

Wen-Jie Chen, Meng Xiao+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 15, 2015

Topological Materials and Phenomena被引用数 6

ひとこと要約

本研究は、マイクロ波実験と数値シミュレーションを用いて、単一（電荷1）および二重（電荷2）のワイル点を有するフォトニック結晶における頑健な表面状態を実験的に示した。非ゼロのチーン数を有するトポロジカルに保護された表面状態が確認され、kzを保存する散乱に対して免疫であることが示され、時間反転対称性を有するフォトニック系におけるワイル系半金属的挙動の頑健性が裏付けられた。

ABSTRACT

We designed and fabricated a time-reversal invariant Weyl photonic crystal that possesses single Weyl nodes with topological charge of 1 and double Weyl nodes with a higher topological charge of 2. Using numerical simulations and microwave experiment, nontrivial band gaps with nonzero Chern numbers for a fixed kz was demonstrated. The robustness of the surface state between the Weyl photonic crystal and PEC against kz-conserving scattering was experimentally observed.

研究の動機と目的

• 単一および二重ワイル点を有する、時間反転対称性を有するフォトニック結晶の設計および作製。
• このような系において、kzを保存する散乱に対して頑健な表面状態を実験的に観測すること。
• 固定されたkzにおいて非自明なバンドギャップが非ゼロのチーン数を有することを確認すること。
• 高次ワイルノード（電荷2）を有するフォトニック系における表面状態のトポロジカルな頑健性を検証すること。
• 凝縮系におけるワイル系半金属の理論的予測を、マイクロ波スケールの実験を用いて観測可能なフォトニックアナログに橋渡しすること。

提案手法

• ワイル点のトポロジカル電荷が1（単一ワイルノード）および2（二重ワイルノード）となるように、設計された格子対称性と屈折率調制を用いてフォトニック結晶構造を設計した。
• 数値的シミュレーションによりバンド構造およびチーン数を計算し、固定されたkzにおいて非自明なトポロジーが確認された。
• 実験的に作製された3次元フォトニック結晶試料を用いたマイクロ波実験により、表面状態およびその頑健性を調べた。
• 表面モードがワイルフォトニック結晶と完全導体（PEC）境界の界面に局在化しているかを特定するために、透過率および電場分布を測定した。
• kzを保存する散乱過程に対する耐性を分析することで、表面状態のトポロジカル保護の強さを評価した。
• 有効ハミルトニアンおよびベリー曲率に基づく理論的解析を用いて、観測された表面状態およびそのトポロジカル不変量を解釈した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 単一および二重ワイル点を有するフォトニック結晶が、実験的条件下で頑健な表面状態を支持できるか？
• RQ2 このようなフォトニック系の表面状態が、kzを保存する散乱に対してトポロジカル保護を示すか？
• RQ3 トポロジカル電荷（1対2）が表面状態の性質および頑健性に与える役割は何か？
• RQ4 固定されたkzにおいて、フォトニック結晶で非ゼロのチーン数を実験的に検証できるか？
• RQ5 系の時間反転対称性が、ワイル点および関連表面状態の形成と安定性に与える影響は何か？

主な発見

• 作製されたフォトニック結晶は、バンド構造計算により、単一ワイル点（電荷1）および二重ワイル点（電荷2）を正常に有していることが確認された。
• 固定されたkzにおいて、非ゼロのチーン数を有する非自明なバンドギャップが数値的に示された。
• マイクロ波実験により、ワイルフォトニック結晶とPEC境界の界面に局在化した頑健な表面状態の存在が確認された。
• 表面状態はkzを保存する散乱に対して強く耐性を示し、トポロジカル保護が確認された。
• 通常の状態が局在化する可能性がある摂動に対しても、表面状態の観測が維持されたことから、そのトポロジカルな頑健性が強調された。
• 結果は、ワイル系半金属的挙動のフォトニックアナログを裏付け、高次ワイルノードを有する系へのトポロジカル保護の拡張を示した。