[論文レビュー] Topological polaritons from quantum wells in photonic waveguides or microcavities

Torsten Karzig, Charles-Edouard Bardyn+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 16, 2014

Strong Light-Matter Interactions被引用数 2

ひとこと要約

本稿では、結合における運動量空間におけるねじれ位相を介して光子と励振子を結合させることで、半導体量子井戸およびモノレイヤー遷移金属ジ chalcogenides における位相的極子（トップオーライト）を提案する。得られるハイブリッド位相的バンドは、スピン軌道結合およびゼーマン場によって駆動される一方向性のキラルエッジモードを支持し、ロバストな極子輸送を実現する。実現可能な材料において、調整可能な位相的ギャップが達成可能である。

ABSTRACT

The interaction between light and matter can give rise to novel topological states. This principle was recently exemplified in Floquet topological insulators, where \emph{classical} light was used to induce a topological electronic band structure. Here, in contrast, we show that mixing \emph{single} photons with excitons can result in new topological polaritonic states --- or topolaritons. Taken separately, the underlying photons and excitons are topologically trivial. Combined appropriately, however, they give rise to non-trivial polaritonic bands with chiral edge modes allowing for unidirectional polariton propagation. The main ingredient in our construction is an exciton-photon coupling with a phase that winds in momentum space. We demonstrate how this winding emerges from spin-orbit coupling in the electronic system and an applied Zeeman field. We discuss the requirements for obtaining a sizable topological gap in the polariton spectrum, and propose practical ways to realize topolaritons in semiconductor quantum wells and monolayer transition metal dichalcogenides.

研究の動機と目的

• 量子井戸系およびモノレイヤー遷移金属ジカルコゲナイドにおける位相的極子状態を実現するための新しいメカニズムを示すこと。
• 極子スペクトルに顕著な位相的ギャップが出現する条件を同定すること。
• 位相的に自明な光子および励振子が、運動量空間におけるエンジニアリングされた位相ねじれによって非自明な位相的バンドに結合可能であることを示すこと。
• スピン軌道結合およびゼーマン場を有する既存の半導体プラットフォームを用いたトップオーライトの実用的実現を提案すること。

提案手法

• 時間反転対称性の破れおよび非自明な位相的トポロジーの実現に不可欠な運動量空間における位相のねじれを有する励振子-光子結合を設計すること。
• 電子系におけるスピン軌道結合を活用し、結合に必要な運動量依存位相シフトを生成すること。
• 外部のゼーマン場を適用して位相ねじれをさらに調整し、ハイブリッド状態の位相的性質を制御すること。
• 運動量空間における位相ねじれを組み込んだタイトバインディングハミルトニアンを用いて、極子バンド構造をモデル化すること。
• チェーン数の計算を用いてバンドトポロジーを分析し、非自明なトポロジーおよびキラルエッジモードの存在を確認すること。
• 結合強度および系パラメータを調整することで、実際の材料における顕著な位相的ギャップの実現可能性を評価すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 位相的に自明なフォトンおよび励振子成分から、キラルエッジモードを有する位相的極子バンドをエンジニアリング可能か？
• RQ2 運動量空間における励振子-光子結合のねじれを誘導するために必要な物理的メカニズムは何か？
• RQ3 実際の半導体量子井戸およびモノレイヤー遷移金属ジカルコゲナイドにおいて、位相的ギャップはどの程度の大きさに達成可能か？
• RQ4 スピン軌道結合およびゼーマン場は、位相的トポロジーに必要な位相ねじれを実現するために果たす役割は何か？
• RQ5 既存の2次元半導体プラットフォームでトップオーライトを実現するための実験的構成は何か？

主な発見

• 励振子-光子結合における運動量空間のねじれは、フォトンおよび励振子が個別に位相的に自明であっても、非自明な位相的バンドとキラルエッジモードを生成するのに十分である。
• 電子系におけるスピン軌道結合が、結合に必要な運動量依存位相シフトを提供し、位相的バンドの形成を可能にする。
• 適用されたゼーマン場は位相ねじれの制御を向上させられ、位相的ギャップのサイズを調整可能にできる。
• システムは、位相的ロバスト性に起因するバックスキャッタリングに対して保護された一方向性極子輸送をエッジに沿って支持する。
• 特に強いスピン軌道結合を有するモノレイヤー遷移金属ジカルコゲナイドでは、顕著な位相的ギャップが実現可能である。
• 提案されたメカニズムは、既存の半導体量子井戸および2次元材料プラットフォームで実現可能であり、位相的極子デバイスへの実用的ルートを提供する。