[論文レビュー] Near-field imaging of spin-locked edge states in all-dielectric topological metasurfaces

Alexey Slobozhanyuk, Alena Shchelokova+7 more|arXiv (Cornell University)|May 22, 2017

Topological Materials and Phenomena参考文献 36被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、チップ上に実装された全誘電体トポロジカルメタサーフェスが、不純物や放射損失に対して頑健なスピンロックされたエッジ状態を支持することを実験的に示している。近接場分光法を用いて、これらの状態におけるスピンホール効果に類似した振る舞いを確認し、誘電体材料がオーム損失を伴わずにトポロジカル保護を維持することを証明した。これにより、より頑健な効率的なオンチップ光通信素子の実現が可能になる。

ABSTRACT

A new class of phenomena stemming from topological states of quantum matter has recently found a variety of analogies in classical systems. Spin-locking and one-way propagation have been shown to drastically alter our view on scattering of electromagnetic waves, thus offering an unprecedented robustness to defects and disorder. Despite these successes, bringing these new ideas to practical grounds meets a number of serious limitations. In photonics, when it is crucial to implement topological photonic devices on a chip, two major challenges are associated with electromagnetic dissipation into heat and out-of-plane radiation into free space. Both these mechanisms may destroy the topological state and seriously affect the device performance. Here we experimentally demonstrate that the topological order for light can be implemented in all-dielectric on-chip prototype metasurfaces, which mitigate the effect of Ohmic losses by using exclusively dielectric materials, and reveal that coupling of the system to the radiative continuum does not affect the topological properties. Spin-Hall effect of light for spin-polarized topological edge states is revealed through near-field spectroscopy measurements.

研究の動機と目的

• 欠陥や不純物に対して頑健なトポロジカル保護に基づくオンチップ光子デバイスの開発を目的とする。
• トポロジカル光子系における電磁気的損失および垂直方向への放射損失の課題に取り組む。
• 全誘電体メタサーフェスが散乱損失を伴わずにトポロジカルエッジ状態を維持できることを実証すること。
• 近接場分光法を用いてスピンロックされたエッジ状態を実験的に検証し、その頑健性を確認すること。

提案手法

• 著者らは、トポロジカルエッジ状態を支持する光帯ギャップを有する全誘電体メタサーフェス構造を設計・作製した。
• サブ波長分解能を有する近接場走査光学顕微鏡（NSOM）を用いて、エッジモードの電磁場分布をマッピングした。
• 高屈折率誘電体材料を唯一使用することで、オーム損失を最小限に抑えるようにシステムを設計した。
• スピン偏光励起を用いて、光のスピンホール効果を調査し、エッジに沿ったスピンロックされた伝搬を明らかにした。
• 有効ハミルトニアンに基づく理論的モデリングにより、観測されたエッジ状態のトポロジカル性を確認した。
• 連続スペクトルへの放射的結合を分析し、それがシステム内のトポロジカル保護を破壊しないことを示した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 全誘電体メタサーフェスは、散乱損失を伴わずに頑健なトポロジカルエッジ状態を支持できるか？
• RQ2 連続スペクトルへの結合が、誘電体系におけるエッジ状態のトポロジカル保護を破壊するか？
• RQ3 チップ統合型プラットフォームにおいて、近接場イメージングによりスピンロックされたエッジ状態を実験的に観測できるか？
• RQ4 トポロジカルエッジ状態は、どの程度一方向伝搬を示し、不純物に対して免疫を示すか？
• RQ5 スピン偏光励起下で、誘電体トポロジカルメタサーフェスにおける光のスピンホール効果を観測できるか？

主な発見

• 近接場イメージングにより、サブ波長空間分解能で全誘電体メタサーフェス内にスピンロックされたエッジ状態が存在することが確認された。
• エッジ状態は一方向伝搬を示し、欠陥による逆散乱に対して免疫であることが実証された。
• スピンホール効果が実験的に観測され、反対のスピン状態が反対側のエッジに沿って伝搬することが明らかになった。
• 連続スペクトルへの結合が存在しても、トポロジカルエッジ状態は安定かつ保護されたままであった。
• 誘電体材料を唯一使用したため、オーム損失は無視できるほど小さく、トポロジカル秩序が保持された。
• 理論的解析により、観測された振る舞いが光帯構造内の非自明なトポロジカル不変量に起因することが確認された。