[論文レビュー] Spin and valley polarized one-way Klein tunneling in photonic topological insulators

Xiang Ni, David Purtseladze+4 more|arXiv (Cornell University)|Jul 18, 2017

Topological Materials and Phenomena参考文献 53被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、設計された合成ゲージ場がスピンおよびバルェル極化を示す一方向のクライントンネル効果を誘導する光子的トポロジカル絶縁体プラットフォームを提案する。擬スピン、ヘリシティ（ chirality ）およびバルェル部分空間における競合するゲージ場を生成することで、一方のバルェルでバンドギャップが開く一方で、他方のバルェルではディラック型の分散が保たれ、トポロジカルに保護された偏光選択的片流れ光子輸送が可能になる。これは、オンチップ光的分波多重および隔離に応用可能な可能性を秘めている。

ABSTRACT

Advances of condensed matter physics in exploiting the spin degree of freedom of electrons led to the emergence of the field of spintronics, which envisions new and more efficient approaches to data transfer, computing, and storage [1-3]. These ideas have been inspiring analogous approaches in photonics, where the manipulation of an artificially engineered pseudo-spin degrees of freedom is enabled by synthetic gauge fields acting on light [4,5,6]. The ability to control these additional degrees of freedom can significantly expand the landscape of available optical responses, which may revolutionize optical computing and the basic means of controlling light in photonic devices across the entire electromagnetic spectrum. Here we demonstrate a new class of photonic systems, described by effective Hamiltonians in which competing synthetic gauge fields engineered in pseudo-spin, chirality/sublattice and valley subspaces result in band gap opening at one of the valleys, while the other valley exhibits Dirac-like conical dispersion. It is shown that such effective response has dramatic implications on photon transport, among which: (i) spin-polarized and valley-polarized one-way Klein tunneling and (ii) topological edge states that coexist within the Dirac continuum for opposite valley and spin polarizations. These phenomena offer new ways to control light in photonics, in particular for on-chip optical isolation, filtering and wave-division multiplexing by selective action on their pseudo-spin and valley degrees of freedom.

研究の動機と目的

• 光の合成ゲージ場を用いてスピントロニクスおよびバルェルトロニクス効果を模倣する光子的システムの開発。
• 擬スピン、ヘリシティ／サブラットス、およびバルェル部分空間における競合するゲージ場を設計し、時間反転対称性を選択的に破る。
• 一方のバルェルでバンドギャップを形成する一方で、他方のバルェルではディラック型の円錐的分散を維持することで、トポロジカル輸送を実現。
• スピンおよびバルェル状態とは逆の偏光状態を有する共存するトポロジカルエッジ状態と、偏光選択的片流れトンネル効果の実証。
• 擬スピンおよびバルェル自由度の制御により、統合フォトニクスにおける新しい機能、例えば光的分波多重および隔離を実現可能とする。

提案手法

• 擬スピンおよびバルェル部分空間における合成ゲージ場を実現するため、波長未満のユニットセルを持つ光子格子を設計。
• 空間的変調を適用して時間反転対称性を破り、格子内に有効な磁束を誘導することで、スピン軌道結合を模倣。
• 競合するゲージ場が、あるバルェル（例：K）でバンドギャップを形成し、他方のバルェル（例：K’）でディラックコーンを維持するようにシステムを設計。
• タイトバインディングモデルから導かれた有効ハミルトニアンを用いて、系のバンド構造およびトポロジカル性質を記述。
• 数値シミュレーションおよび解析的解法を用いて、光子輸送を解析し、一方向トンネル効果およびエッジ状態の実証。
• 入射角および偏光状態を変化させた際の透過スペクトルを検証することで、トポロジカルな頑健性を確認。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 光子格子における合成ゲージ場は、電子系と類似したスピンおよびバルェル極化を示す一方向トンネル効果を誘導できるか？
• RQ2 擬スピン、ヘリシティ、およびバルェル部分空間における競合するゲージ場は、バンド構造およびトポロジカル保護にどのように影響を与えるか？
• RQ3 同一の光子的系において、スピンおよびバルェル極化が逆の状態を有するトポロジカルエッジ状態とディラック型連続体が共存可能か？
• RQ4 一方のバルェルでのバンドギャップ形成が、偏光選択的片流れ輸送を可能にする役割は何か？
• RQ5 このプラットフォームは、擬スピンおよびバルェル自由度の制御により、どの程度オンチップ光的隔離および分波多重を実現できるか？

主な発見

• 一方のバルェル（例：K）でバンドギャップが形成され、他方のバルェル（例：K’）ではディラック型の円錐的分散が維持され、トポロジカル保護が可能となる。
• スピン極化およびバルェル極化を示す一方向クライントンネル効果が達成され、特定の擬スピンおよびバルェル状態でのみ高い透過率を示す。
• スピンおよびバルェル極化が逆の状態を有するトポロジカルエッジ状態とディラック連続体が共存し、同時に一方向輸送チャネルを形成可能。
• トポロジカル保護のおかげで、不純物が存在しても最小限の逆散乱を伴う一方向光子輸送が可能。
• 数値シミュレーションにより、擬スピンおよびバルェル偏光に基づく選択的透過が確認され、光的隔離および分波多重用途への設計妥当性が裏付けられた。
• 有効ハミルトニアンモデルは、観測されたバンド構造および輸送現象を正確に予測し、理論的枠組みの妥当性を確認した。