[논문 리뷰] Nonlinear control of photonic higher-order topological bound states in the continuum

Zhichan Hu, Domenico Bongiovanni외 8명|arXiv (Cornell University)|2021. 06. 01.

Topological Materials and Phenomena참고 문헌 51인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 레이저로 작성된 2차 위상수준(topological) 격자에서 광학적 고차 위상수준의 연속체 내 고립상태(BICs)에 대한 비선형 제어를 시현한다. 집중 및 산산이 흩날리는 비선형성의 조합을 활용하여, 이전에 BIC로 확인된 위상수준의 모서리 상태와 표면 상태 사이의 조절 가능한 결합을 보여주며, 고강도에서 선형 결합에서 비선형 솔리톤 형성으로의 전이가 이루어지며, 비선형 Zak 위상의 이론적 계산을 통해 활성적인 위상수준 조절이 가능하다는 것을 확인한다.

ABSTRACT

Higher-order topological insulators (HOTIs) are recently discovered topological phases, possessing symmetry-protected corner states with fractional charges. An unexpected connection between these states and the seemingly unrelated phenomenon of bound states in the continuum (BICs) was recently unveiled. When nonlinearity is added to a HOTI system, a number of fundamentally important questions arise. For example, how does nonlinearity couple higher-order topological BICs with the rest of the system, including continuum states? In fact, thus far BICs in nonlinear HOTIs have remained unexplored. Here, we demonstrate the interplay of nonlinearity, higher-order topology, and BICs in a photonic platform. We observe topological corner states which, serendipitously, are also BICs in a laser-written second-order topological lattice. We further demonstrate nonlinear coupling with edge states at a low nonlinearity, transitioning to solitons at a high nonlinearity. Theoretically, we calculate the analog of the Zak phase in the nonlinear regime, illustrating that a topological BIC can be actively tuned by both focusing and defocusing nonlinearities. Our studies are applicable to other nonlinear HOTI systems, with promising applications in emerging topology-driven devices.

연구 동기 및 목표

• 광학계에서 비선형성, 고차 위상수준, 연속체 내 고립상태(BICs) 간의 상호작용을 조사하는 것.
• 비선형성이 이전에 BIC로 확인된 위상수준의 모서리 상태와 연속체 및 표면 상태 사이에 어떻게 결합되는지 탐색하는 것.
• 집중 및 산산이 흩날리는 비선형성을 모두 활용하여 위상수준 BIC를 능동적으로 조절하는 것을 보여주는 것.
• 고차 위상수준 위상수준계에서 비선형 Zak 위상의 이론적 프레임워크를 수립하는 것.
• 제어 가능한 비선형 역학을 통해 위상수준 기반 광학 장치의 새로운 응용을 가능하게 하는 것.

제안 방법

• 공학적 결합 강도를 가진 레이저로 작성된 파동도 격자에 의한 2차 광학 위상수준 절연체의 실험적 실현.
• 대칭성 보호에 의해 기인하는 BIC 특성을 同시로 나타내는 위상수준의 모서리 상태의 식별.
• 외부 펌프 빔을 통한 제어된 광학 비선형성(집중 및 산산이 흩날리는)을 적용하여 시스템의 반응을 조절.
• 입력 전력 증가에 따라 선형 결합에서 비선형 솔리톤 형성으로의 모드 진화 측정.
• 비선형성 하에서 위상수준 특성을 특성화하기 위해 비선형 Zak 위상의 이론적 유도.
• 수치 시뮬레이션과 분석 모델링을 통해 비선형 위상수준 상태의 강건성과 조절 가능성 확인.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비선형성은 고차 위상수준의 위상수준 BIC와 주변 연속체 및 표면 상태 사이의 결합을 어떻게 매개하는가?
• RQ2 고차 광학 시스템에서 위상수준 BIC는 비선형 광학 효과를 통해 능동적으로 조절될 수 있는가?
• RQ3 대칭성 보호된 모서리 상태(또한 BIC이기도 함)가 존재하는 조건에서 비선형 모드(예: 솔리톤)의 거동는 어떠한가?
• RQ4 고차 위상수준 위상수준계에서 비선형 Zak 위상은 어떻게 변화하며, 비선형성 하에서 위상수준 보호에 대해 무엇을 드러내는가?
• RQ5 이러한 시스템에서 선형 표면 상태 결합에서 비선형 솔리톤 형성으로의 전이 메커니즘은 무엇인가?

주요 결과

• 레이저로 작성된 광학 격자 내 위상수준의 모서리 상태는 실험적으로 연속체 내 고립상태(BICs)로 확인되었으며, 대칭성 보호에 의해 영향을 받지 않는 영역 손실을 나타낸다.
• 낮은 비선형성에서 시스템은 위상수준의 모서리 BIC와 표면 상태 사이의 결합을 나타내며, 그 사이에 에너지 이동이 관찰된다.
• 고강도 비선형성에서 시스템은 안정적인 자기 트랩 비선형 모드—솔리톤—을 지속적으로 유지하며, 위상수준 BIC와 표면 상태의 상호작용에서 기인한다.
• 비선형 Zak 위상의 이론적 계산은 집중 및 산산이 흩날리는 비선형성이 모두 BIC의 위상수준 특성을 능동적으로 조절할 수 있음을 보여준다.
• 선형 결합에서 솔리톤 형성으로의 전이가 실험적으로 관측되었고 수치적으로 검증되었으며, 강건한 비선형 역학을 나타낸다.
• 이러한 발견들은 향후 장치 응용을 위한 다른 비선형 고차 위상수준 절연체 시스템에 적용 가능한 일반적인 프레임워크를 수립한다.