[논문 리뷰] Spin and valley polarized one-way Klein tunneling in photonic topological insulators

Xiang Ni, David Purtseladze외 4명|arXiv (Cornell University)|2017. 07. 18.

Topological Materials and Phenomena참고 문헌 53인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 합성 게이지 장을 통해 스핀 및 벨리에이스 편극화를 갖는 한 방향의 클라인 터널링을 유도하는 광학적 토폴로지 절연체 플랫폼을 제안한다. 진동수, 편미분, 벨리에이스 하위공간에서 경쟁하는 게이지 장을 만들었을 때, 한 벨리에이스에서 밴드 갭이 열리고 다른 곳에서는 디랙-유사한 분산이 유지되어, 위상적으로 보호된, 편극화 선택성 있는 한 방향 광자 전송이 가능해지며, 이는 칩 내 광학적 격리 및 다중분할 기술에 잠재적인 응용을 가진다.

ABSTRACT

Advances of condensed matter physics in exploiting the spin degree of freedom of electrons led to the emergence of the field of spintronics, which envisions new and more efficient approaches to data transfer, computing, and storage [1-3]. These ideas have been inspiring analogous approaches in photonics, where the manipulation of an artificially engineered pseudo-spin degrees of freedom is enabled by synthetic gauge fields acting on light [4,5,6]. The ability to control these additional degrees of freedom can significantly expand the landscape of available optical responses, which may revolutionize optical computing and the basic means of controlling light in photonic devices across the entire electromagnetic spectrum. Here we demonstrate a new class of photonic systems, described by effective Hamiltonians in which competing synthetic gauge fields engineered in pseudo-spin, chirality/sublattice and valley subspaces result in band gap opening at one of the valleys, while the other valley exhibits Dirac-like conical dispersion. It is shown that such effective response has dramatic implications on photon transport, among which: (i) spin-polarized and valley-polarized one-way Klein tunneling and (ii) topological edge states that coexist within the Dirac continuum for opposite valley and spin polarizations. These phenomena offer new ways to control light in photonics, in particular for on-chip optical isolation, filtering and wave-division multiplexing by selective action on their pseudo-spin and valley degrees of freedom.

연구 동기 및 목표

• 빛을 위한 스핀트로닉스 및 벨리에이트로닉스 효과를 모방하는 광학 시스템을 개발하기 위해 합성 게이지 장을 활용한다.
• 가짜 스핀, 편미분/하위격자 및 벨리에이스 하위공간에서 경쟁하는 게이지 장을 설계하여 시간역전 대칭을 선택적으로 깨뜨린다.
• 한 벨리에이스에서 밴드 갭을 열고 다른 곳에서는 디랙-유사한 원뿔형 분산을 유지하여 위상적 전송을 가능하게 한다.
• 반대 스핀 및 벨리에이스 상태에 대해 공존하는 위상적 표면 상태와 편극화 선택성 있는 한 방향 터널링을 입증한다.
• 가짜 스핀 및 벨리에이스 자유도를 제어하여 통합 광학에서 새로운 功能, 예를 들어 광학적 격리 및 파장다중분할을 가능하게 한다.

제안 방법

• 가짜 스핀 및 벨리에이스 하위공간에서 합성 게이지 장을 실현하기 위해, 하위파장 단위세포를 갖는 광학 격자를 설계한다.
• 공간적 변조를 적용하여 시간역전 대칭을 깨고 격자 내에서 효과적 자기장 스트림을 유도하여 스핀-오르빗 결합을 모방한다.
• 경쟁하는 게이지 장이 한 벨리에이스(예: K)에서 밴드 갭을 열고 다른 곳(예: K’)에서 디랙 원뿔을 유지하도록 시스템을 설계한다.
• 유한 격자 모델에서 유도된 효과적 해밀토니안을 사용하여 시스템의 밴드 구조 및 위상적 성질을 기술한다.
• 수치 시뮬레이션과 해석적 해법을 통해 광자 전송을 분석하여 한 방향 터널링 및 표면 상태를 입증한다.
• 다양한 입사 각도 및 편극 상태에서 전송 스펙트럼을 분석하여 위상적 내성의 정당성을 확인한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 광학 격자에서 합성 게이지 장이 전자 시스템과 유사하게 스핀 및 벨리에이스 편극화를 갖는 한 방향 터널링을 유도할 수 있는가?
• RQ2 가짜 스핀, 편미분 및 벨리에이스 하위공간에서 경쟁하는 게이지 장이 밴드 구조 및 위상적 보호에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 반대 스핀 및 벨리에이스 편극화 상태에 대해 위상적 표면 상태와 디랙-유사 연속체가 동시에 공존할 수 있는가?
• RQ4 한 벨리에이스에서의 밴드 갭 열림이 편극화 선택성 있는 한 방향 전송을 가능하게 하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ5 이 플랫폼이 가짜 스핀 및 벨리에이스 자유도 제어를 통해 칩 내 광학적 격리 및 다중분할을 어느 정도 지원할 수 있는가?

주요 결과

• 한 벨리에이스(예: K)에서 밴드 갭이 열리고 다른 곳(예: K’)에서는 디랙-유사 원뿔형 분산이 유지되어 위상적 보호가 가능하다.
• 스핀 편극화 및 벨리에이스 편극화를 갖는 한 방향 클라인 터널링이 실현되었으며, 특정 가짜 스핀 및 벨리에이스 상태에서만 높은 전송율을 보인다.
• 반대 스핀 및 벨리에이스 편극화 상태에 대해 위상적 표면 상태와 디랙 연속체가 공존하여 동시에 한 방향 전송 채널을 제공한다.
• 위상적 보호 덕분에 불순물이 존재하더라도 최소한의 역산산산 전송이 가능하여 한 방향 광자 전송이 유지된다.
• 수치 시뮬레이션을 통해 가짜 스핀 및 벨리에이스 편극화에 기반한 선택적 전송이 확인되어 광학적 격리 및 다중분할을 위한 설계의 타당성을 입증한다.
• 효과적 해밀토니안 모델이 관측된 밴드 구조 및 전송 현상을 정확하게 예측하여 이론적 프레임워크의 타당성을 확인한다.