[論文レビュー] Full Optical Control of Topological Transitions in Polariton Chern Insulator Analog

O. Bleu, D. D. Solnyshkov+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 23, 2016

Photonic and Optical Devices参考文献 1被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、円偏光励起を用いてスピン集団の不均衡によって自己誘導されるゼーマン場を介し、ポラリトンチェルン絶縁体アナログにおけるトポロジカル遷移の完全な光的制御を示している。得られる調整可能な有効ゼーマン場とTE-TMスピン軌道結合により、チェルン数±1および±2のトポロジカル位相間の動的スイッチングが可能となり、エッジ状態の放射と位相図の数値シミュレーションによって確認された。

ABSTRACT

Exciton-polariton lattices allow to implement topologically protected photonic edge states at optical frequencies. Taking advantage of the interacting character of polaritons, we show that several topological phases, belonging to the Quantum Anomalous Hall family, can occur in polariton graphene with the TE-TM spin-orbit coupling and an effective Zeeman field. This Zeeman field can be entirely controlled by the non-linearity of the macro-occupied mode created by circularly polarized resonant pumping. The topological phases found are distinct from the ones of normal graphene in presence of a combination of Rashba and Zeeman field.

研究の動機と目的

• ポラリトンヘキサゴナル格子におけるトポロジカル位相が、外部磁場を用いずに光励起によって完全に制御可能であることを示すこと。
• TE-TMスピン軌道結合と自己誘導ゼーマン場の役割が、トポロジカル位相遷移をどのように可能にするかを調査すること。
• 共鳴励起されたポラリトン系において、励起強度によって駆動されるトポロジカル遷移の完全な位相図を確立すること。
• ポラリトン格子におけるTE-TMスピン軨道結合とラシバスピン軌道結合のトポロジカル挙動を比較すること。
• スピン子グロス＝ピタエフスキー方程式の完全な数値シミュレーションを通じて、トポロジカルに保護されたエッジ状態の出現を検証すること。

提案手法

• TE-TMスピン軌道結合を有するヘキサゴナル格子におけるポラリトンのダイナミクスをモデル化するためのスピン子グロス＝ピタエフスキー方程式の使用。
• 準共鳴的円偏光励起（σ⁺）を組み込み、スピン集団の不均衡によって自己誘導ゼーマン場を誘導すること。
• エッジおよびバルクにおける局所的空間的σ⁻プローブを用いた発光パターンの数値シミュレーションによりエッジ状態を検出すること。
• 励起強度と結合パラメータを変化させることで、トポロジカル不変量（チェルン数）と位相図を計算すること。
• ヘキサゴナル格子におけるTE-TMとラシバスピン軌道結合の下でのバンド構造とディラック点の進化を比較すること。
• 励起パワーを調整することで、エッジ状態の伝搬方向とバルク励起に対する耐性を分析すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 外部磁場を用いずに、光励起のみでポラリトンチェルン絶縁体におけるトポロジカル位相遷移を完全に制御可能か？
• RQ2 TE-TMスピン軌道結合と自己誘導ゼーマン場の相互作用が、調整可能なトポロジカル不変量をどのようにもたらすか？
• RQ3 ヘキサゴナル格子におけるTE-TMとラシバスピン軌道結合のトポロジカル位相図にどのような相違があるか？
• RQ4 励起強度が系におけるチェルン数とエッジ状態のチラリティをどのように制御するか？
• RQ5 実験的に測定可能な発光パターンが、エッジ状態の存在とトポロジカル保護性を確認できるか？

主な発見

• 系はチェルン数±1および±2のトポロジカル位相を示し、励起強度を変化させることで動的に調整可能である。
• 自己誘導ゼーマン場が0.3 meVに達する励起強度に対応する時点で、非自明位相へのトポロジカル遷移が発生し、チェルン数が2に達する。
• より高い励起強度（0.6 meV）では、チェルン数-1の位相に移行し、エッジ状態の伝搬方向が逆転し、バルク励起に対する保護性が強化される。
• 位相図は、TE-TM SOC下ではM点における追加のディラック点の合体と消失を示しており、ラシバの場合には観察されない。
• 数値シミュレーションにより、エッジ状態が一方向に伝搬し、耐性があることが確認され、発光パターンには矢印で明確な方向性伝搬が示されている（図4参照）。
• 外部磁場や構造的エンジニアリングを必要とせず、エッジ状態の完全な光的制御が可能である。