[論文レビュー] Magnetically-defined topological edge plasmons in edgeless electron gas

Dafei Jin, Yang Xia+12 more|arXiv (Cornell University)|Mar 7, 2018

Topological Materials and Phenomena参考文献 38被引用数 8

ひとこと要約

本論文は、物理的エッジを必要としないエッジレス2次元電子系（2DEG）において、磁場の符号が反転する磁性ドメインの境界で発現する、位相的に保護されたドメイン境界磁気プラズモン（DBMPs）の初の実験的実現を示した。DBMPsは外部磁場またはゲート電圧によって調整可能であり、チャーン数の違いに起因する位相的保護により非再帰的かつ一方向性の伝播を示し、物理的エッジが存在しないにもかかわらず再構成可能で高速なプラズモニックデバイスの実現を可能にする。

ABSTRACT

Topological materials bear gapped excitations in bulk yet protected gapless excitations at boundaries. Magnetoplasmons (MPs), as high-frequency density excitations of two-dimensional electron gas (2DEG) in a perpendicular magnetic field, embody a prototype of band topology for bosons. The time-reversal-breaking magnetic field opens a topological gap for bulk MPs up to the cyclotron frequency; topologically-protected edge magnetoplasmons (EMPs) bridge the bulk gap and propagate unidirectionally along system's boundaries. However, all the EMPs known to date adhere to physical edges where the electron density terminates abruptly. This restriction has made device application extremely difficult. Here we demonstrate a new class of topological edge plasmons -- domain-boundary magnetoplasmons (DBMPs), within a uniform edgeless 2DEG. Such DBMPs arise at the domain boundaries of an engineered sign-changing magnetic field and are protected by the difference of gap Chern numbers (+/-1) across the magnetic domains. They propagate unidirectionally along the domain boundaries and are immune to domain defects. Moreover, they exhibit wide tunability in the microwave frequency range under an applied magnetic field or gate voltage. Our study opens a new direction to realize high-speed reconfigurable topological devices.

研究の動機と目的

• 従来のエッジ磁気プラズモン（EMP）が閉じ込めに物理的エッジを必要としているという制限を克服すること。
• 空間的に設計された磁場を用いて、均一でエッジレスな2DEGで位相的に保護されたプラズモニックモードを実現すること。
• 物理的境界が存在しない状況でも、非再帰的かつ一方向性のプラズモン伝播を実証すること。
• 外部磁場またはゲート電圧によるプラズモン周波数の調整を達成すること。
• 高速で再構成可能な位相的プラズモニックデバイスのスケーラブルなプラットフォームを確立すること。

提案手法

• 10⁷ cm² V⁻¹ s⁻¹の高い電子移動度を示すGaAs/AlGaAsヘテロジャンクションを用い、長寿命のプラズモンを支持した。
• 特製形状のNdFeB永久磁石を用いて、2DEG上に空間的に変化する符号反転を示す磁場（±0.15 T）を生成し、磁性ドメインを形成した。
• 共面波導（CPW）を介したマイクロ波励起により、プラズモニック共鳴状態を測定した。
• 可変な一様磁場（B₀）をスーパーコイルで印加し、全体の磁場プロファイルをシフトした。
• 非再帰的挙動および共鳴周波数を検出するために、マイクロ波透過スペクトル（S₂₁およびS₁₂）を測定した。
• 位相的バンド理論に基づく理論的モデルにより、ドメイン境界でチャーン数±1を有するDBMPsが予測され、実験的観測と一致した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 物理的境界が存在しないエッジレス2DEGにおいて、位相的に保護されたプラズモンを実現できるか？
• RQ2 符号が変化する磁場中におけるドメイン境界が、一方向性かつ位相的に保護されたプラズモンを支持するか？
• RQ3 これらのプラズモンの励起周波数は、外部磁場およびゲート電圧にどのように依存するか？
• RQ4 これらのプラズモンの非再帰的透過は実験的に確認できるか？
• RQ5 理論的予測された位相的エッジモードと、実験的マイクロ波共鳴スペクトルとの一致度はどの程度か？

主な発見

• 高移動度のGaAs/AlGaAsヘテロジャンクションにおいて、マイクロ波周波数帯でドメイン境界磁気プラズモン（DBMPs）の初の実験的観測が達成された。
• DBMPsは非再帰的透過を示し、S₂₁方向でのより深い減衰（容易な結合）を確認し、一方向性伝播を裏付けた。
• 印加磁場B₀の増加に伴い共鳴周波数が単調に上昇し、従来のEMPとは明確に区別された。
• ゲート電圧を-20 Vから+20 Vに変化させることで、DBMP周波数が上昇し、減衰深さが増大した。これはf和則と整合的であった。
• 理論的予測と実験データの間には、フィッティングパラメータなしに良好な一致が確認され、モードの位相的起源が裏付けられた。
• インピーダンス不整合によるCPW結合の影響で隔離比が制限されたが、非再帰的挙動はDBMPsの位相的保護を明確に確認した。