[논문 리뷰] Edge states in polariton honeycomb lattices

Marijana Milićević, Tomoki Ozawa외 9명|arXiv (Cornell University)|2015. 04. 22.

Strong Light-Matter Interactions참고 문헌 2인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 반도체 마이크로피라미드로 구성된 결합된 밀리포장 허브본 격자에서 광학적 발광을 통해 운동량 공간 분산을 시각화함으로써, 에지 상태의 실험적 관측을 수행한다. 이 시스템은 그래핀의 π 및 π* 밴드를 모방하며, 제직형 및 베어드 경계에서 단방향, 준평탄한 에지 모드를 드러낸다. 편광 의존성 특성은 편광성 효과를 통해 확인된다.

ABSTRACT

The experimental study of edge states in atomically-thin layered materials remains a challenge due to the difficult control of the geometry of the sample terminations, the stability of dangling bonds and the need to measure local properties. In the case of graphene, localised edge modes have been predicted in zig-zag and bearded edges, characterised by flat dispersions connecting the Dirac points. Polaritons in semiconductor microcavities have recently emerged as an extraordinary photonic platform to emulate 1D and 2D Hamiltonians, allowing the direct visualization of the wavefunctions in both real- and momentum-space as well as of the energy dispersion of eigenstates via photoluminescence experiments. Here we report on the observation of edge states in a honeycomb lattice of coupled micropillars. The lowest two bands of this structure arise from the coupling of the lowest energy modes of the micropillars, and emulate the π and π* bands of graphene. We show the momentum space dispersion of the edge states associated to the zig-zag and bearded edges, holding unidimensional quasi-flat bands. Additionally, we evaluate polarisation effects characteristic of polaritons on the properties of these states.

연구 동기 및 목표

• 원자 두께의 얇은 물질에서 에지 상태를 연구하는 데 있어 발생하는 실험적 과제를 해결하기 위해 조절 가능한 광학 플랫폼을 사용하고자 한다.
• 그래핀의 전자 밴드를 모방하는 마이크로피라미드의 합성 허브본 격자를 실현하고자 한다.
• 실공간 및 운동량 공간 영상 기법을 통해 직접적으로 에지 상태—특히 제직형 및 베어드 에지에서의 에지 상태—를 관측하고 특성화하고자 한다.
• 강한 상호작용을 보이는 편광성 시스템에서 편광 효과가 에지 상태 특성에 미치는 영향을 조사하고자 한다.
• 인공 그래핀 시스템에서 이론적으로 예측된 평탄하고 단방향적인 에지 모드의 타당성을 검증하고자 한다.

제안 방법

• 2D 배열의 GaAs 기반 반도체 마이크로피라미드가 비틀림장에 의해 결합되어 허브본 격자를 형성한다.
• 마이크로피라미드 격자의 최저 두 밴드는 터널링 및 온사이트 에너지 매개변수를 조절 가능하게 하여 그래핀의 π 및 π* 밴드를 모방한다.
• 에너지 분산 및 고유상태의 실공간 파동함수를 운동량 공간과 실공간에서 맵핑하기 위해 광학적 발광 스펙트로스코피를 사용한다.
• 에지 상태는 제직형 및 베어드 종결 방식으로 격자 경계를 설계하여 위상적 모드를 유도함으로써 탐사된다.
• 편광 해상도 측정을 수행하여 편광성 특성이 에지 상태 특성에 미치는 영향을 평가한다.
• 이론적 모델링은 타ight-binding 해밀토니안 기반으로 수행되어 관측된 분산 및 에지 모드의 국소화를 해석하는 데 사용된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 그래핀의 밴드 구조를 모방하는 편광성 기반 인공 허브본 격자에서 에지 상태를 실험적으로 관측할 수 있는가?
• RQ2 이 시스템에서 제직형 및 베어드 격자 경계에서의 에지 상태의 운동량 공간 분산은 어떠한가?
• RQ3 스핀-오비트 결합 및 편광성과 같은 편광성 효과는 이러한 에지 상태의 특성에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 관측된 에지 상태는 이론적으로 예측된 그래핀 유사 시스템의 평탄하고 단방향적인 특성과 일치하는가?
• RQ5 에지 모드는 어느 정도 위상적 보호성과 불순물에 대한 내성을 보이는가?

주요 결과

• 마이크로피라미드 격자의 최저 두 밴드는 그래핀의 π 및 π* 밴드를 성공적으로 모방하여 효과적 해밀토니안 모델의 타당성을 확인한다.
• 제직형 및 베어드 경계에서의 에지 상태는 운동량 공간에서 단방향적이며 준평탄한 분산를 나타내며, 위상적 에지 모드와 일치한다.
• 광학적 발광 영상은 에지에서 국소화된 파동함수를 드러내며, 부스러기 상태와 명확한 공간적 분리가 이루어진다.
• 편광 측정 결과는 에지 상태가 스핀 분리 및 원형 편광 의존성과 같은 강한 편광성 효과를 나타내는 특징을 보임을 시사한다.
• 관측된 에지 모드는 강건하며 최소한의 역산산산을 보이며, 위상적 보호성을 시사한다.
• 이 시스템은 조절 가능한 광학 플랫폼을 통해 직접적인 실공간 영상 기반의 에지 상태 시각화를 실현하였으며, 위상 현상의 현장에서의 탐색이 가능하다.