[논문 리뷰] Topological polaritons from quantum wells in photonic waveguides or microcavities

Torsten Karzig, Charles-Edouard Bardyn외 2명|arXiv (Cornell University)|2014. 06. 16.

Strong Light-Matter Interactions인용 수 2

한 줄 요약

이 논문은 광자와 엑시톤을 동역학적 공간에서 위상 전이를 통해 결합시켜 반도체 양자우물과 단층면 전이 금속 디 chalcogenide에서 위상적 폴라리톤(토폴라리톤)을 제안한다. 이로 인해 비틀림 위상 전이에 의해 유도된 비보존적 위상 구조를 가진 하이브리드 위상 밴드가 형성되며, 스핀-오비트 결합과 제이만 필드에 의해 강건한 폴라리톤 운반을 위한 한 방향성의 측면 모드를 지닌다. 실재하는 물질에서 조절 가능한 위상 갭을 확보할 수 있다.

ABSTRACT

The interaction between light and matter can give rise to novel topological states. This principle was recently exemplified in Floquet topological insulators, where \emph{classical} light was used to induce a topological electronic band structure. Here, in contrast, we show that mixing \emph{single} photons with excitons can result in new topological polaritonic states --- or topolaritons. Taken separately, the underlying photons and excitons are topologically trivial. Combined appropriately, however, they give rise to non-trivial polaritonic bands with chiral edge modes allowing for unidirectional polariton propagation. The main ingredient in our construction is an exciton-photon coupling with a phase that winds in momentum space. We demonstrate how this winding emerges from spin-orbit coupling in the electronic system and an applied Zeeman field. We discuss the requirements for obtaining a sizable topological gap in the polariton spectrum, and propose practical ways to realize topolaritons in semiconductor quantum wells and monolayer transition metal dichalcogenides.

연구 동기 및 목표

• 양자우주 시스템과 단층면 전이 금속 디 chalcogenide에서 위상적 폴라리톤 상태를 실현하는 새로운 메커니즘을 보여주기.
• 폴라리톤 스펙트럼에서 상당한 위상 갭이 나타나는 조건을 규명하기.
• 위상적으로 비틀림이 없는 광자와 엑시톤이 동역학 공간에서 설계된 위상 전이에 의해 비위상적 위상 밴드로 조합될 수 있음을 보여주기.
• 스핀-오비트 결합과 제이만 필드를 갖춘 기존 반도체 플랫폼을 활용한 토폴라리톤의 실용적 실현 가능성을 제안하기.

제안 방법

• 시간역전 대칭성을 깨고 비자명한 위상 구조를 가능하게 하기 위해 동역학 공간에서 위상 전이가 일어나는 엑시톤-광자 결합을 설계하기.
• 전자 시스템 내 스핀-오비트 결합을 활용하여 결합에 필요한 동역학적 위상 의존성의 위상을 생성하기.
• 외부 제이만 필드를 적용하여 위상 전이의 조절과 하이브리드 상태의 위상적 성질 제어하기.
• 동역학 공간 위상 전이를 포함한 격자 힘학적 해밀토니안을 사용하여 폴라리톤 밴드 구조를 기술하기.
• 크리스터 반지름 계산을 통해 유도된 밴드 위상 구조를 분석하여 비자명한 위상과 측면 모드 존재를 확인하기.
• 결합 강도와 시스템 매개변수를 조절하여 실재 물질에서 큰 위상 갭을 실현 가능할지 평가하기.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비자명한 위상 밴드와 측면 모드를 지닌 위상적 폴라리톤 밴드를 비위상적 광자와 엑시톤 성분에서 설계할 수 있는가?
• RQ2 엑시톤-광자 결합에서 동역학 공간 위상 전이를 유도하기 위해 필요한 물리적 메커니즘은 무엇인가?
• RQ3 실재하는 반도체 양자우주와 단층면 전이 금속 디 chalcogenide에서 위상 갭은 얼마나 클 수 있는가?
• RQ4 스핀-오비트 결합과 제이만 필드는 위상 구조를 유도하기 위해 필요한 위상 전이를 어떻게 실현하는가?
• RQ5 기존의 2차원 반도체 플랫폼에서 토폴라리톤을 실현할 수 있는 실험적 구성은 무엇인가?

주요 결과

• 엑시톤-광자 결합에서 동역학 공간 위상 전이가 존재하는 것으로 충분히 비자명한 위상 밴드와 측면 모드를 형성할 수 있으며, 이는 광자와 엑시톤이 각각 위상적으로 비틀림이 없는 경우에도 가능하다.
• 전자 시스템 내 스핀-오비트 결합은 결합에 필요한 동역학적 위상 의존성 위상을 제공하여 위상 밴드 형성 가능하게 한다.
• 적용된 제이만 필드는 위상 전이의 제어를 향상시키며 위상 갭 크기를 조절할 수 있다.
• 시스템은 위상적 강건성로 인해 반사산란을 방지하는 한 방향성 폴라리톤 운반을 지지한다.
• 특히 강한 스핀-오비트 결합을 갖는 단층면 전이 금속 디 chalcogenide에서 실재 물질에서 상당한 위상 갭을 확보할 수 있다.
• 제안된 메커니즘은 기존의 반도체 양자우주 및 2차원 물질 플랫폼에서 실현 가능하며, 위상적 폴라리톤 장치를 위한 실현 가능한 길을 제공한다.