[論文レビュー] Optical interface states protected by synthetic Weyl points

Qiang Wang, Meng Xiao+3 more|arXiv (Cornell University)|Aug 17, 2017

Topological Materials and Phenomena参考文献 50被引用数 12

ひとこと要約

本論文は、4層単位胞を持つフォトニクス結晶において、合成ウェイル点によって保護される光学的界面状態の実験的実現を示している。パラメータ空間に一般化されたウェイル点を有するフォトニクスバンド構造を設計することで、著者らはフォトニクス結晶と反射性基板の間で位相的・安定的に保証される反射位相渦を観測した。これは、初めて実験的に確認されたものである。

ABSTRACT

Weyl fermions have not been found in nature as elementary particles, but they emerge as nodal points in the band structure of electronic and classical wave crystals. Novel phenomena such as Fermi arcs and chiral anomaly have fueled the interest in these topological points which are frequently perceived as monopoles in momentum space. Here we report the experimental observation of generalized optical Weyl points inside the parameter space of a photonic crystal with a specially designed four-layer unit cell. The reflection at the surface of a truncated photonic crystal exhibits phase vortexes due to the synthetic Weyl points, which in turn guarantees the existence of interface states between photonic crystals and any reflecting substrates. The reflection phase vortexes have been confirmed for the first time in our experiments which serve as an experimental signature of the generalized Weyl points. The existence of these interface states is protected by the topological properties of the Weyl points and the trajectories of these states in the parameter space resembles those of Weyl semimetal "Fermi arcs surface states" in momentum space. Tracing the origin of interface states to the topological character of the parameter space paves the way for a rational design of strongly localized states with enhanced local field.

研究の動機と目的

• 合成ウェイル点を用いたフォトニクス系における位相的保護された光学的界面状態の存在を実証すること。
• パラメータ空間に一般化されたウェイル点を有する4層単位胞を持つフォトニクス結晶を設計すること。
• 反射位相渦の存在を実験的に確認し、それらが合成ウェイル点の兆候であることを裏付けること。
• 強力に局在化した光学状態と強化された局所電場を有するトップولوجィカル設計原理を確立すること。
• フォトニクス系におけるウェイル点と、ウェイル半金属におけるフェルミ弧表面状態との類似性を明らかにすること。

提案手法

• 構造幾何のパラメータ空間に調整可能なウェイル点を有する4層単位胞を持つフォトニクス結晶の設計。
• ノード点が合成ウェイルフェルミオンに対応するフォトニクスバンド構造の理論的モデリング。
• 断片的結晶表面における反射位相応答の数値シミュレーションにより、位相渦の検出。
• 実験的測定による反射位相分布の測定により、ウェイル点周辺の位相渦の存在を確認。
• 構造的摂動に対する耐性を用いた界面状態のトップولوجィカル特性評価。
• パラメータ空間における界面状態の軌道マッピングにより、運動量空間におけるフェルミ弧に類似した経路を再現。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 フォトニクス結晶において、合成ウェイル点によって光学的界面状態が位相的に保護可能か？
• RQ2 合成ウェイル点を有する断片的フォトニクス結晶の表面に、反射位相渦が出現するか。これは実験的兆候として機能するか？
• RQ3 パラメータ空間における界面状態の軌道は、ウェイル半金属におけるフェルミ弧とどのように比較できるか？
• RQ4 界面状態は、その位相的起源に起因して、どの程度構造的不規則性に対して頑健か？
• RQ5 フォトニクス結晶のパラメータ空間を、強力に局在化したモードを支持する一般化されたウェイル点を有するように設計可能か？

主な発見

• フォトニクス結晶における反射位相渦の初の実験的観測であり、パラメータ空間に一般化されたウェイル点が存在することを確認した。
• フォトニクス結晶と任意の反射性基板との間の界面状態は、合成ウェイル点によって位相的に保護され、安定性が保証される。
• パラメータ空間における界面状態の軌道は、ウェイル半金属で観測されたフェルミ弧表面状態に類似している。
• ウェイル点の周囲で位相の量子化された巻きつきが観測され、トップولوجィカル不変量と位相渦構造との直接的な関連が示された。
• 構造的変形に対しても界面状態は局在化したまま安定しており、トップولوجィカル保護の有効性が裏付けられた。
• 実験結果は、理論的予測である、合成ウェイル点を介したフォトニクス系におけるトップولوجィカル界面状態の設計可能性を裏付けた。