[論文レビュー] Spin-valley-controlled photonic topological insulator

Haoran Xue, Fei Gao+4 more|arXiv (Cornell University)|Nov 1, 2018

Topological Materials and Phenomena参考文献 25被引用数 10

ひとこと要約

本稿では、スピン・バルク結合と逆 symmetryの破壊を調整することにより、量子スピンホール（QSH）状態と量子バルクホール（QVH）状態の間を動的にスイッチする、スピン・バルク制御型フォトニックトポロジカル絶縁体を提案する。この系は、従来の凝縮系では実現できないトポロジカル保護された相転移を可能にし、再構成可能なフォトニックプラットフォーム上でスピントロニクスとバルクトロニクスを統合する。

ABSTRACT

The discovery of photonic topological insulators (PTIs) has opened the door to fundamentally new topological states of light.Current time-reversal-invariant PTIs emulate either the quantum spin Hall (QSH) effect or the quantum valley Hall (QVH) effect in condensed-matter systems, in order to achieve topological transport of photons whose propagation is predetermined by either 'photonic pseudospin' (abbreviated as 'spin') or valley. Here we demonstrate a new class of PTIs, whose topological phase is not determined solely by spin or valley, but is controlled by the competition between their induced gauge fields. Such a competition is enabled by tuning the strengths of spin-orbit coupling (SOC) and inversion-symmetry breaking in a single PTI. An unprecedented topological transition between QSH and QVH phases that is hard to achieve in condensed-matter systems is demonstrated. Our study merges the emerging fields of spintronics and valleytronics in the same photonic platform, and offers novel PTIs with reconfigurable topological phases.

研究の動機と目的

• スピンおよびバルク自由度による制御が可能なフォトニックトポロジカル絶縁体の開発。
• 従来のフォトニックトポロジカル絶縁体における固定されたトポロジカル相の制限を克服すること。
• 同一プラットフォーム上で量子スピンホール相と量子バルクホール相の間のトポロジカル転移を実証すること。
• 再構成可能なトポロジカル輸送を実現するため、フォトニック系にスピントロニクスとバルクトロニクスの原則を統合すること。

提案手法

• ゲージ場を制御できる、スピン・オービット結合および逆対称性の破壊が調整可能なフォトニック格子を設計。
• トポロジカルに保護されたエッジ状態を支持するヘキサゴナルに似たフォトニック構造を設計。
• スピン・オービット結合および逆対称性破壊パラメータを変化させた状態でのバンド構造およびエッジモードを、数値シミュレーションで分析。
• スピンおよびバルクゲージ場の相対的強度を調整することで、トポロジカル相転移を実証。
• 数値的散乱および透過解析を通じて、エッジ状態の不純物および構造的欠陥に対する頑健性を検証。
• 外部によるゲージ場の制御を可能にするフォトニックプラットフォームを用い、擬スピンとバルク自由度の競合を制御可能に再現。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 同一フォトニックプラットフォームが、量子スピンホール相と量子バルクホール相の両方をサポートできるか？
• RQ2 スピン・オービット結合と逆対称性の破壊の相互作用が、トポロジカル相転移をどのように制御するか？
• RQ3 フォトニック系におけるQSH相とQVH相の間のトポロジカル転移の性質は何か？
• RQ4 スピンおよびバルクゲージ場の調整下でも、トポロジカルエッジ状態が安定して維持可能か？
• RQ5 構造的再構成なしに、フォトニック系で再構成可能なトポロジカル相を実現できるか？

主な発見

• 同一フォトニックプラットフォーム上で、量子スピンホール相と量子バルクホール相の間のトポロジカル相転移が実験的に実証された。
• 相転移は、スピン・オービット結合と逆対称性の破壊の相対的強度を調整することで制御された。
• 全相転移領域にわたり、トポロジカルに保護されたエッジ状態が観測され、不純物に対する頑健性が示された。
• 構造的不備に強く、一方向エッジ輸送が可能である。
• フォトニックプラットフォームにより、ゲージ場の外部制御によってトポロジカル相の動的再構成が可能である。
• スピンおよびバルクゲージ場の競合により、従来の凝縮系では得られない新しいトポロジカル相が生じた。