[논문 리뷰] Magnetically-defined topological edge plasmons in edgeless electron gas

Dafei Jin, Yang Xia외 12명|arXiv (Cornell University)|2018. 03. 07.

Topological Materials and Phenomena참고 문헌 38인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 물리적 가장자가 없는 2차원 전자기체(2DEG)에서 최초로 위상적으로 보호된 도메인 경계 자기플라스몬(DBMP)을 실험적으로 실현하였다. 여기서는 자기장 기울기가 반대인 자기도메인 간 경계에서 한 방향으로만 전파되는 단방향 플라스몬이 발생한다. DBMP는 외부 자기장 또는 게이트 전압으로 조절 가능하며, 츄른 수의 차이로 인한 위상적 보호로 인해 비상호성이고 한 방향으로만 전파되며, 물리적 가장자가 없는 재구성 가능한 고속 플라스모닉 장치를 가능하게 한다.

ABSTRACT

Topological materials bear gapped excitations in bulk yet protected gapless excitations at boundaries. Magnetoplasmons (MPs), as high-frequency density excitations of two-dimensional electron gas (2DEG) in a perpendicular magnetic field, embody a prototype of band topology for bosons. The time-reversal-breaking magnetic field opens a topological gap for bulk MPs up to the cyclotron frequency; topologically-protected edge magnetoplasmons (EMPs) bridge the bulk gap and propagate unidirectionally along system's boundaries. However, all the EMPs known to date adhere to physical edges where the electron density terminates abruptly. This restriction has made device application extremely difficult. Here we demonstrate a new class of topological edge plasmons -- domain-boundary magnetoplasmons (DBMPs), within a uniform edgeless 2DEG. Such DBMPs arise at the domain boundaries of an engineered sign-changing magnetic field and are protected by the difference of gap Chern numbers (+/-1) across the magnetic domains. They propagate unidirectionally along the domain boundaries and are immune to domain defects. Moreover, they exhibit wide tunability in the microwave frequency range under an applied magnetic field or gate voltage. Our study opens a new direction to realize high-speed reconfigurable topological devices.

연구 동기 및 목표

• 물리적 가장자가 필요로 하는 전통적인 가장자리 자기플라스몬(EMP)의 제한을 극복하기 위해.
• 공간적으로 설계된 자기장으로 균일하고 가장자가 없는 2DEG에서 위상적으로 보호된 플라스모닉 모드를 실현하기 위해.
• 물리적 경계 없이 비상호성이고 한 방향으로만 전파되는 플라스몬 전파를 입증하기 위해.
• 외부 자기장 또는 게이트 전압을 통해 플라스몬 주파수를 조절 가능하게 하기 위해.
• 고속이고 재구성 가능한 위상적 플라스모닉 장치를 위한 확장 가능한 플랫폼을 확립하기 위해.

제안 방법

• 10⁷ cm² V⁻¹ s⁻¹의 전자 이동도를 가지는 고이동도 GaAs/AlGaAs 이종접합을 사용하여 장수명 플라스몬을 지지하였다.
• 특수 형상의 NdFeB 영구자석이 2DEG 전체에 걸쳐 공간적으로 변화하는 부호가 바뀌는 자기장(±0.15 T)을 생성하여 자기도메인을 형성하였다.
• 공면 파동도(APW)를 통해 마이크로파를 자극하여 플라스모닉 공진을 탐지하였다.
• 균일한 조절 가능한 자기장(B₀)을 초도선으로 도입하여 전체 자기장 프로파일을 이동시켰다.
• 비상호성 행동과 공진 주파수를 탐지하기 위해 마이크로파 전송 스펙트럼(S₂₁ 및 S₁₂)을 측정하였다.
• 위상대역 이론에 기반한 이론적 모델링은 도메인 경계에서 츄른 수 ±1을 가진 DBMP를 예측하였으며, 실험 결과와 일치하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 물리적 경계가 없는 가장자가 없는 2DEG에서 위상적으로 보호된 플라스몬을 실현할 수 있는가?
• RQ2 부호가 바뀌는 자기장 내에서 도메인 경계가 단방향으로 위상적으로 보호된 플라스몬을 지지하는가?
• RQ3 이 플라스몬의 자극 주파수는 외부 자기장과 게이트 전압에 어떻게 의존하는가?
• RQ4 이 플라스몬의 비상호성 전송을 실험적으로 검증할 수 있는가?
• RQ5 위상적 가장자리 모드에 대한 이론적 예측은 실험적 마이크로파 공진 스펙트럼과 어느 정도 일치하는가?

주요 결과

• 고이동도 GaAs/AlGaAs 이종접합에서 마이크로파 주파수에서 도메인 경계 자기플라스몬(DBMP)의 최초 실험적 관측가능성을 확보하였다.
• DBMP는 비상호성 전송을 보였으며, S₂₁ 방향에서 더 깊은 감쇠를 보여 단방향 전파를 확인하였다.
• 적용된 자기장 B₀에 따라 공진 주파수가 단조롭게 증가하였으며, 이는 전통적인 EMP와의 차이를 보였다.
• -20 V에서 +20 V로 게이트 전압을 조절함으로써 DBMP 주파수는 증가하고 감쇠 깊이가 증가하였으며, 이는 f-합 규칙과 일치하였다.
• 이론적 예측과 실험 데이터 사이에 피팅 매개변수 없이 뛰어난 일치를 보였으며, 이는 모드의 위상적 기원을 검증하였다.
• 임피던스 불일치로 인해 고립 비율이 제한되었지만, 비상호성 행동은 DBMP의 위상적 보호를 확인하였다.