[論文レビュー] Photonic Analogue of Two-dimensional Topological Insulators and Helical One-Way Edge Transport in Bi-Anisotropic Metamaterials

Alexander B. Khanikaev, S. Hossein Mousavi+4 more|arXiv (Cornell University)|Apr 25, 2012

Topological Materials and Phenomena参考文献 46被引用数 727

ひとこと要約

本稿では、二重異方性メタマテリアルを用いて2次元トポロジカル絶縁体の光子的アナロジーを提案し、ヘリカルエッジ状態を介したロバストな一方向エッジ輸送を実証した。特定の電磁パラメータを設計することで、系はトポロジカル的に保護されたエッジモードを支持し、不規則性に対して耐性を示し、バックスキャッタリングのない一方向光子輸送を可能にする。

ABSTRACT

Recent progress in understanding the topological properties of condensed matter has led to the discovery of time-reversal invariant topological insulators. Because of limitations imposed by nature, topologically non-trivial electronic order seems to be uncommon except in small-band-gap semiconductors with strong spin-orbit interactions. In this Article we show that artificial electromagnetic structures, known as metamaterials, provide an attractive platform for designing photonic analogues of topological insulators. We demonstrate that a judicious choice of the metamaterial parameters can create photonic phases that support a pair of helical edge states, and that these edge states enable one-way photonic transport that is robust against disorder.

研究の動機と目的

• 人工的電磁構造を用いて、光子的トポロジカル絶縁体のアナロジーを探索すること。
• チューナブルなメタマテリアルを活用して、自然な制限を超えてトポロジカル電子相を実現すること。
• 2次元光子系において、一方向光子輸送を支えるヘリカルエッジ状態を実証すること。
• トポロジカル保護によってエッジ輸送の不規則性に対するロバスト性を達成すること。
• 二重異方性材料を用いたトポロジカル光子デバイスの設計プラットフォームを確立すること。

提案手法

• 電気的および磁気的応答を調整した二重異方性メタマテリアル素子の2次元アレイを設計すること。
• トポロジカル絶縁体のケイン＝メレ模型を模倣する有効ハミルトニアンを設計すること。
• 強い磁電結合を用いて時間反転対称性を破り、非自明なトポロジカル秩序を誘導すること。
• 構造的非対称性を用いて合成ゲージ場を導入し、光子におけるスピン軌道結合を模倣すること。
• バンド構造およびエッジモード伝搬の数値シミュレーションを実施し、トポロジカル保護を確認すること。
• 不規則性下での透過性の分析を通じて、一方向エッジ輸送の妥当性を検証すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 二重異方性メタマテリアルは、光子領域における2次元電子的トポロジカル絶縁体のトポロジカル性質を模倣できるか？
• RQ2 人工的電磁構造は、一方向光子輸送に適したヘリカルエッジ状態をどのように実現できるか？
• RQ3 磁電結合は、光子系におけるトポロジカル秩序の誘導にどのような役割を果たすか？
• RQ4 この光子プラットフォームにおけるエッジモードは、不規則性に対してどの程度保護されるか？
• RQ5 外部磁場を用いずに、光子系がロバストな一方向輸送を達成できるか？

主な発見

• 設計された二重異方性および磁電結合のおかげで、非自明なトポロジーを持つ光子バンドギャップが実現される。
• トポロジカルに異なる領域の境界にヘリカルエッジ状態が出現し、一方向輸送が可能になる。
• 数値シミュレーションにより、エッジモードが構造的不規則性および欠陥に対してロバストであることが確認された。
• エッジ輸送は一方向的かつトポロジカル的に保護されており、バックスキャッタリングがほとんどない。
• この光子系は、量子スピンホール効果に類似した時間反転対称性を保つトポロジカル位相を実現した。
• 提案されたプラットフォームは、従来のメタマテリアル製造技術を用いて、トポロジカル光子デバイスの実験的実現を可能にする。