[논문 리뷰] Topological Flat Band and Parity-Time Symmetry in a Honeycomb Lattice of Coupled Resonant Optical Waveguides

Xue-Yi Zhu, Samit Kumar Gupta외 7명|arXiv (Cornell University)|2018. 01. 31.

Topological Materials and Phenomena참고 문헌 35인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 2D 허브론 격자 구조의 결합된 공명 광학 파이버를 제안하며, 가짜 스핀-오르빗 결합과 디рак 점을 통해 위상적 평탄한 밴드를 실현하고, 위상적으로 보호된 표면 상태를 가능하게 한다. 파리티-시간(PT) 대칭의 증가-감소 조절을 도입함으로써, 나선형 경계에서는 증가와 감소가 분리되고, 아르메이어 경계에서는 소산 없는 표면 전송가 유지되며, 강건한 광학 장치를 실현한다.

ABSTRACT

Two-dimensional (2D) coupled resonant optical waveguide (CROW), exhibiting topological edge states, provides an efficient platform for designing integrated topological photonic devices. In this paper, we propose an experimentally feasible design of 2D honeycomb CROW photonic structure. The characteristic optical system possesses two-fold and three-fold Dirac points at different positions in the Brillouin zone. The effective gauge fields implemented by the intrinsic pseudo-spin-orbit interaction open up topologically nontrivial bandgaps through the Dirac points. Spatial lattice geometries allow destructive wave interference, leading to a dispersionless, nearly-flat energy band in the vicinity of the three-fold Dirac point in the telecommunication frequency regime. This nontrivial nearly-flat band yields topologically protected edge states. The pertinent physical effects brought about due to non-Hermitian gain/loss medium into the honeycomb CROW device are discussed. The generalized gain-loss lattice with parity-time symmetry decouples the gain and the loss at opposite zigzag edges, leading to purely gain or loss edge channels. Meanwhile, the gain and loss effects on the armchair boundary cancel each other, giving rise to dissipationless edge states in non-Hermitian optical systems. These characteristics underpin the fundamental importance as well as the potential applications in various optical devices such as polarizers, optical couplers, beam splitters and slow light delay lines.

연구 동기 및 목표

• 위상적 평탄한 밴드와 표면 상태를 지닌 2D 결합 공명 광학 파이버(CROW) 격자를 설계하기.
• 내재된 가짜 스핀-오르빗 결합을 통한 효과적 게이지 장을 실현하여 위상적으로 비자명한 밴드 갭을 열기.
• 공간 격자 기하학에서의 간섭 소멸을 통해 세중 디рак 점 근처에서 분산이 거의 없는 평탄한 에너지 밴드를 실현하기.
• 비헤르미트성 증가-감소 매체가 PT 대칭 구조에서 표면 상태의 강건성에 미치는 영향을 조사하기.
• 소산 없는 표면 전송 및 커플러, 슬로우 라이트 버퍼와 같은 기능적 광학 장치를 실현하기.

제안 방법

• 조절 가능한 결합 강도를 가진 2D 허브론 격자 구조의 결합 공명 광학 파이버를 설계하여 효과적 게이지 장을 모방하기.
• 격자 기하학으로부터 유도된 가짜 스핀-오르빗 결합을 활용하여 브릴루앙 영역 내 이중 및 삼중 디랙 점에서 위상적 밴드 갭을 열기.
• 공간 격자 대칭을 설계하여 간섭 소멸을 유도함으로써 통신 대역 내 삼중 디랙 점 근처에서 거의 평탄한 밴드를 생성하기.
• 일반화된 증가-감소 격자를 도입하여 PT 대칭을 확보함으로써, 나선형 경계에서는 증가와 감소를 공간적으로 분리하기.
• 비헤르미트 해밀토니안 수식을 사용하여 시스템의 반응을 분석하고, PT 대칭 하에서 표면 상태의 거동을 연구하기.
• 아르메이어 경계에서는 증가와 감소 효과가 상쇄되어 비록 비헤르미트 매체가 존재하더라도 소산 없는 표면 전송이 이루어짐을 입증하기.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 공학적으로 설계된 격자 기하학과 가짜 스핀-오르빗 결합을 통해 2D 허브론 CROW 격자가 위상적 평탄한 밴드를 지닐 수 있는가?
• RQ2 세중 디랙 점의 존재가 시스템 내 거의 분산이 없는 평탄한 밴드 형성에 기여하는 방식은 무엇인가?
• RQ3 다양한 경계 기하학(나선형 대비 아르메이어)에서 PT 대칭 증가-감소의 영향은 표면 상태에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 비헤르미트성 증가-감소 성분이 존재하더라도 시스템이 소산 없는 표면 전송을 유지할 수 있는가?
• RQ5 이 시스템이 통합 위상 광학 장치 설계에 미치는 함의는 무엇인가?

주요 결과

• 공학적으로 설계된 격자 기하학에 의한 간섭 소멸로 인해 세중 디랙 점 근처에서 거의 평탄한 밴드가 발생하며, 이로 인해 분산이 최소화된다.
• 시스템의 경계에서 위상적으로 보호된 표면 상태가 실현되며, 불순물과 결함에 대해 강건하다.
• PT 대칭 구조에서 나선형 경계에서는 증가와 감소가 공간적으로 분리되어 순수하게 증폭 또는 흡수 성분을 갖는 표면 채널이 형성된다.
• 아르메이어 경계에서는 증가와 감소 효과가 상호 상쇄되어 비록 비헤르미트 매체가 존재하더라도 소산 없는 표면 전송이 이루어진다.
• 시스템은 통신 주파수 대역에서 강건한 표면 상태를 지니며, 통합 광학 분야의 실용적 응용을 가능하게 한다.
• 표준 결합 공명 파이버 어레이 제작 기술을 사용하여 이 설계는 실험적으로 실현 가능하다.