[논문 리뷰] Sensitivity of topological edge states in a non-Hermitian dimer chain

Zhiwei Guo, Tengzhou Zhang외 3명|arXiv (Cornell University)|2020. 07. 07.

Quantum Mechanics and Non-Hermitian Physics참고 문헌 58인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 비헤르미트(dimer) 체인을 제안하며, 조절된 증폭과 감쇠를 통해 예외점(EPs)에서(topological edge states)을 안정화함으로써 근접 필드 결합에도 불구하고 위상적 보호를 복원한다. EP를 조절함으로써 외부 외란에 대해 높은 민감도를 보이며 내부 결함에 대해서는 강인한 특성을 확보하여, 정밀도가 향상된 새로운 위상적 센서의 새로운 유형을 가능하게 한다.

ABSTRACT

Photonic topological edge states in one-dimensional dimer chains have long been thought to be robust to structural perturbations by mapping the topological Su-Schrieffer-Heeger model of a solid-state system. However, the edge states at the two ends of a finite topological dimer chain will interact as a result of near-field coupling. This leads to deviation from topological protection by the chiral symmetry from the exact zero energy, weakening the robustness of the topological edge state. With the aid of non-Hermitian physics, the splitting frequencies of edge states can be degenerated again and topological protection recovered by altering the gain or loss strength of the structure. This point of coalescence is known as the exceptional point (EP). The intriguing physical properties of EPs in topological structures give rise to many fascinating and counterintuitive phenomena. In this work, based on a finite non-Hermitian dimer chain composed of ultra-subwavelength resonators, we propose theoretically and verify experimentally that the sensitivity of topological edge states is greatly affected when the system passes through the EP. Using the EP of a non-Hermitian dimer chain, we realize a new sensor that is sensitive to perturbation at the end of the structure and yet topologically protected from internal perturbation. Our demonstration of a non-Hermitian topological structure with an EP paves the way for the development of novel sensors that are not sensitive to internal manufacturing errors but are highly sensitive to changes in the external environment.

연구 동기 및 목표

• 유한한 디머 체인에서 가장자리 상태 간의 근접 필드 결합으로 인해 위상적 보호가 상실되는 문제를 해결하기 위해.
• 비헤르미트 물리학, 특히 예외점(EPs)이 위상적 강인성을 어떻게 복원할 수 있는지 탐구하기 위해.
• 외부 환경 변화에 민감하지만 내부 제조 결함에 견디는 내구성 있는 위상적 센서를 설계하고 실험적으로 검증하기 위해.
• 비헤르미트 시스템에서 예외점을 사용하여 광학 위상적 구조에서 센싱 응용을 향상시키는 것이 가능한지를 입증하기 위해.

제안 방법

• 비대칭 증폭과 감쇠를 갖는 초미세파장 조절기로 구성된 유한한 비헤르미트 디머 체인의 이론적 모델링.
• 비헤르미트 시스템에 적응된 수-슈리퍼-헤거(SSH) 모델을 사용하여 위상적 가장자리 상태를 기술하기 위해.
• 고유진동수의 공융을 통해 예외점(EP)에 도달하도록 시스템 매개변수를 설계하여 위상적 보호를 복원하기 위해.
• 증폭-감쇠 강도에 따른 가장자리 상태의 분리 주파수를 수치 시뮬레이션 및 해석적 유도를 통해 유도하기 위해.
• 이론적 예측인 EP에서의 가장자리 상태 민감도를 검증하기 위해 마이크로파 공진기를 사용한 실험적 실현을 위해.
• 체인 끝부분의 외부 외란에 대한 시스템 반응과 내부 구조적 변형에 대한 반응을 특성화하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 유한한 디머 체인에서 가장자리 상태 간의 근접 필드 결합은 위상적 보호를 어떻게 약화시키는가?
• RQ2 비헤르미트 디머 체인에서 예외점(EPs)이 가장자리 상태 분리 주파수를 도입함으로써 위상적 강인성을 복원할 수 있는가?
• RQ3 체인 끝부분의 외부 외란에 대해 높은 민감도를 보이면서도 시스템이 위상적 보호를 얼마나 오랫동안 유지할 수 있는가?
• RQ4 증폭과 감쇠 강도의 상호작용은 위상적 가장자리 상태의 국소화와 민감도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 비헤르미트 위상적 구조를 외부 변화에 민감하고 내부 결함에 강인한 센서로 설계할 수 있는가?

주요 결과

• 유한한 디머 체인에서의 근접 필드 결합은 위상적 가장자리 상태를 정확한 영에너지에서 분리시켜 측면 대칭성을 깨뜨리고 위상적 보호를 약화시킨다.
• 예외점(EP)에서 가장자리 상태의 분리 주파수들이 공융하여, 결합에도 불구하고 위상적 보호가 복원된다.
• 시스템은 체인 끝부분의 외부 외란에 대해 높은 민감도를 보이며, 내부 구조적 결함에 대해서는 강인하다.
• 마이크로파 설정에서의 실험 결과는 이론적 예측인 EP에서 가장자리 상태 민감도 향상이 확인되었다.
• 비헤르미트 디머 체인은 새로운 센싱 패러다임을 가능하게 한다: 내부 오류로부터 위상적으로 보호되지만 외부 변화에 매우 민감하다.
• 시스템이 정확히 EP에서 작동할 때 가장자리 상태의 민감도가 최대가 되며, 이는 강인성과 반응성 사이의 상충관계를 보여준다.