[논문 리뷰] Controlled transport based on multiorbital Aharonov-Bohm photonic caging

Gabriel Cáceres-Aravena, Diego Guzmán-Silva외 2명|arXiv (Cornell University)|2022. 05. 25.

Nonlinear Photonic Systems참고 문헌 48인용 수 52

한 줄 요약

이 논문은 펌프터세컨드 레이저로 작성된 웨이브가이드를 사용하여 S-P 궤도상 결합을 통한 합성 π-플럭스를 유도하는 다중 궤도 광학 격자 구조를 제안한다. 이는 통제 가능한 아하로노프-보hm 캐징과 방향성 운반을 가능하게 한다. 다이아몬드 격자에서 양성 및 음성 결합을 공학적으로 설계함으로써, 저자들은 세 개의 비틀림이 없는 평탄한 밴드를 갖는 평탄한 밴드 형성을 실험적으로 입증하였으며, 입력 위상 또는 위치를 조절하여 에너지 운반을 완전히 선형적으로 제어하였다.

ABSTRACT

The induction of synthetic magnetic fields on lattice structures allows to effectively control their localization and transport properties. In this work, we generate effective $\pi$ magnetic fluxes on a multi-orbital diamond lattice, where first ($S$) and second ($P$) order modes effectively interact. We implement a $z$-scan method on femtosecond laser written photonic lattices and experimentally observe Aharonov-Bohm caging for $S$ and $P$ modes, as a consequence of a band transformation and the emergence of a spectrum composed of three degenerated flat bands. As an application, we demonstrate a perfect control of the dynamics, where we translate an input excitation across the lattice in a completely linear and controlled way. Our model, based on a flat band spectrum, allows us to choose the direction of transport depending on the excitation site or input phase.

연구 동기 및 목표

• S 및 P 모드 간의 상호 궤도 결합을 통해 복잡한 기하학적 형태 없이 광학 격자에서 합성 자기장 플럭스를 실현하고자 한다.
• 다중 궤도 시스템에서 아하로노프-보hm 캐징을 입증하여 극도로 국소화된 상태와 평탄한 밴드 형성을 이끌어내고자 한다.
• 입력 위상과 흥(excitation) 위치 선택을 통해 작고 효율적인 격자 구조에서 제어 가능하고 선형적이며 방향성 있는 에너지 운반을 실현하고자 한다.
• 비선형성이 없는 안정적인 방법으로 광학 통합 회로에서 빛을 제어하고자 한다.
• 비선형성과 비헤르미티안 효과를 향후 유연하고 요구에 따라 조절 가능한 광학 아키텍처에 통합할 수 있는 플랫폼을 구축하고자 한다.

제안 방법

• 펌프터세컨드 레이저를 이용해 S 및 P 웨이브가이드를 포함한 다중 궤도 다이아몬드 격자를 제작함으로써 기본 모드와 두 번째 순서 모드 간의 제어 가능한 결합을 가능하게 하였다.
• 웨이브가이드의 방향과 모드 대칭성을 통해 양성 및 음성 결합 상수를 공학적으로 설계하여, 각 플라켓당 효과적인 π-플럭스를 유도하였다.
• 전파 방향에 따른 강도 변화를 측정하기 위해 z-스캔 방법을 적용하였으며, 캐징 및 운반 동역학을 관찰하였다.
• 시스템을 시뮬레이션하기 위해 해밀토니안 $-irac{ ext{d}oldsymbol{ ho}}{ ext{d}z} = oldsymbol{V}oldsymbol{ ho}$ 를 갖는 타이트 바인딩 모델을 사용하였으며, $oldsymbol{V}$ 는 위치에 따라 달라지는 결합을 포함하였다.
• 브로흐 앤사즈를 구현하여 밴드 구조를 계산하였으며, π-플럭스 조건 하에서 $E = 0, /pm 2V$ 에서 세 개의 디퇴한 평탄한 밴드가 존재하는 것으로 밝혀졌다.
• 흥(excitation) 위치(중앙 행 대비 가장자리)와 위상(동기 및 이질성)를 변화시켜 입력 의존 운반을 탐색함으로써, 방향성 제어를 가능하게 하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 S 및 P 모드 간의 상호 궤도 결합만을 사용하여 광학 격자에서 φ = π 인 합성 자기장 플럭스를 유도할 수 있는가?
• RQ2 유도된 π-플럭스는 S 및 P 모드 양쪽에 대해 디퇴한 평탄한 밴드 형성과 아하로노프-보hm 캐징을 유도하는가?
• RQ3 비선형성이 없는 조건에서 입력 위상 또는 흥 위치를 조절하여 에너지 운반의 방향을 선형적으로 제어할 수 있는가?
• RQ4 실제 실험 설정에서 평탄한 밴드 스펙트럼이 완벽하고 국소화되며 방향성 있는 운반을 지속적으로 지원할 수 있는가?
• RQ5 이 시스템은 비선형성이 필요 없이 안정적이고 요구에 따라 조절 가능한 광학 논리 연산을 위한 플랫폼으로 활용될 수 있는가?

주요 결과

• 저자들은 π-플럭스 조건 하에서 다중 궤도 다이아몬드 격자에서 S 및 P 모드 양쪽에 대해 아하로노프-보hm 캐징을 실험적으로 관측하였으며, 강도 변화 측정을 통해 이를 확인하였다.
• 유도된 π-플럭스로 인해 세 개의 디퇴한 고유값($E = 0, /pm 2V$)을 갖는 평탄한 밴드 스펙트럼이 나타났으며, 각각 이중 디퇴성 특성을 지녔다.
• 중앙 행에 단일 위치 흥을 가했을 경우 완전한 국소화(캐징)가 발생하였고, 가장자리 위치에서 동기 또는 이질성 흥을 가했을 경우 50 mm 동안 완벽한 방향성 운반을 달성하였다.
• 입력 위상을 변경함으로써 방향성 운반을 뒤바꿈할 수 있었으며, 동기 프로파일은 {Bn, Cn} 위치에서는 왼쪽으로, {En±1, Fn±1} 위치에서는 오른쪽으로 이동하여 완전한 제어를 보였다.
• 운반 메커니즘은 순수하게 선형적이고 안정적이며 비선형성이 필요 없었으며, 광학 논리 및 통합 광학 회로에 대한 강력한 솔루션을 제공하였다.
• z-스캔 방법은 전파 동역학을 성공적으로 매핑하였으며, 캐징 조건에서는 에너지가 몇 개의 단위 세포에 국소화되어 있음을 보여주었고, 제어된 흥 조건에서는 에너지가 완전히 이동함을 확인하였다.